25.10.2012

Тщательно подобранная органическая антенна повышает эффективность природного фотосинтетического протеина

Во всех фотосинтетических организмах функциональная организация фотосинтетического аппарата одинакова: пигмент-протеиновый комплекс захватывает солнечные фотоны, подобно ловящей радиоволны антенне, и проводит их к центральному фотохимическому ядру — реакционному центру. Здесь энергия конвертируется в пару «электрон — дырка», возникающую, когда отрицательно заряженный электрон покидает своё молекулярное «ядро», оставляя после себя положительно заряженную «дырку» (попросту говоря, пустое место на молекулярной орбитали и положительный заряд на всей оставшейся без своего электрона молекуле; на свободное место может прискакать электрон с соседней молекулы, что можно рассматривать не как движение электрона, а как движение «дырки» в противоположном направлении).

Это состояние с разделёнными зарядами должно иметь возможность просуществовать достаточно долго, чтобы быть использованным с какой-либо значительной целью. Организмы применяют его для своего метаболизма, а человек — чаще всего для окислительно-восстановительных реакций, таких как расщепление воды на водород и кислород.

Природе подвластен полный контроль над всеми тремя стадиями фотосинтетического процесса. А человеком были успешно созданы многочисленные искусственные (синтетические) системы, способные захватывать солнечный свет и использовать его энергию для достижения состояния с разделёнными зарядами. Однако время жизни такого состояния в синтетических системах едва достигает миллисекунд. Этого мало для того, чтобы накопленная энергия могла быть израсходована с должной эффективностью (вместо этого происходит банальная рекомбинация зарядов с выделением не менее банального тепла).

Интересный подход для решения этой проблемы представлен учёными из Университета Бари (Италия), которые предложили создавать гибридные системы, объединяющие «точно подогнанную» синтетическую антенну с природным «световым конвертером» (тем самым вопрос стабильности состояния с разделёнными зарядами остаётся в руках природы, а эффективность световой абсорбции увеличивается за счёт применения антенны). Идея антенны не нова, но раньше синтетические антенны пытались делать только на основе полупроводящих квантовых точек.

В этот раз вместо квантовых точек использовалась молекула органического красителя, структура которой была тщательнейшим образом подобрана (см. иллюстрацию). У такого подхода несколько очевидных преимуществ перед неорганическими структурами: разнообразность и доступность практически любых органических соединений позволяет проводить максимально тонкую «настройку» спектроскопических и электрических свойств антенны; в то же время молекулярная форма и гибкость молекулы могут быть подобраны так, чтобы не оказывать никакого отрицательного влияния на функциональность реакционного центра (чего не удаётся в случае с квантовыми точками). Наконец, органическая молекула-антенна может быть привязана к любому желаемому месту на реакционном центре.

Объединив свою антенну с экстенсивно изучаемым реакционным центром пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides R-26, учёные продемонстрировали, что антенна совершенно не нарушает природной функциональности бактериального светового конвертера. Более того, она делает его эффективным даже в том диапазоне длин волн, который недоступен исходной биологической системе (это означает, что единственное назначение «антенн» состоит в расширении рабочего диапазона природных фотосинтетических протеинов, желательно без каких-либо негативных последствий для их природных способностей).

Подробнее об исследовании можно узнать из журнала Angewandte Chemie.

Подготовлено по материалам Phys.Org.

Роман Иванов

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА