Метод исследователей, описанный в ACS Nano как «синтетическая пурпурная мембрана», является важным шагом на пути к производству чистого топлива, которое может помочь решить глобальные энергетические проблемы.Эти синтетические фиолетовые мембраны содержат крошечные диски органических соединений, называемых липидами, искусственными белками и полупроводниковыми наночастицами, которые, взятые вместе, могут превращать солнечный свет в водородное топливо.
«В отличие от некоторых других современных подходов, мы смогли использовать экологически чистые материалы без кадмия, чтобы эта наноархитектура эффективно работала в видимом свете», — сказала Елена Рожкова, ученый из Аргоннского центра наноразмерных материалов и автор исследования.Центральное место в искусственном шаблоне, созданном исследователями Аргонны, является синтетический бактериородопсин. Этот белок обычно содержится в мембранах Halobacterium salinarum, древнего одноклеточного организма, который живет в чрезвычайно высокосолевых условиях, таких как Большое Соленое озеро Юты и горячие источники Йеллоустонского национального парка, которые выглядят как пурпурные струи воды.
У бактерий белок использует энергию видимого света для перекачки протонов через клеточную мембрану, создавая электрический градиент, который организм использует для генерации и хранения химической энергии.«Эта синтетическая система дает нам возможность реконфигурировать древний биологический процесс для нового и полезного применения энергии», — добавила Рожкова. «В естественной пурпурной мембране бактерии используют бактериородопсин для сбора энергии из света. Синтетические пурпурные мембраны позволяют нам использовать созданные нами нанотехнологические инструменты, чтобы адаптировать их для выработки энергии и удовлетворения потребностей человека», — сказала она.«Мы не изолируем естественную систему для генерации энергии из солнечного света, а, скорее, мы конструируем полностью созданную человеком систему для экспрессии сконструированного белка без необходимости в биологических клетках, а затем объединяем их с полупроводниковыми частицами».
Ранее платформа для бесклеточного синтеза белка использовалась для структурной биологии и производства белков для медицинских приложений.«Вот почему мы используем нанодиски — они имитируют биологическую мембрану, которая обычно поддерживает бактериородопсин и обеспечивает его функцию», — сказала Рожкова.
Чтобы создать синтетическую версию мембранного белка, исследователи использовали минимум ключевых клеточных элементов: нанодиски, синтетическую ДНК, кодирующую белок, другие биологические компоненты, необходимые для производства белка, включая аминокислоты, а также изолированное оборудование для производства рибосомного белка. . Это привело к успешной экспрессии синтетического бактериородопсина на нанодисках.«Процесс синтеза искусственного белка был визуализирован с большой точностью с помощью сканирующей зондовой микроскопии с высоким разрешением», — сказал Вал Новосад, ученый-материаловед из Аргонна.После приготовления синтетические фиолетовые мембраны были собраны с наночастицами диоксида титана для выделения водорода в видимом свете.
Результаты показывают, что полностью созданная человеком система использовала энергию света для производства водорода с аналогичной или даже более высокой эффективностью по сравнению с системами на основе бактериальной пурпурной мембраны.«Когда искусственно модифицированный диоксид титана, модифицированный белками, поглощает видимый свет, он использует энергию света для генерации электронов, которые в конечном итоге взаимодействуют с протонами на поверхности сокатализатора с образованием водорода», — сказал Пэн Ван, бывший аргонн. постдокторант и еще один автор исследования.Исследование подчеркивает способность полупроводников использовать энергию видимого света в отличие от ультрафиолетового (УФ) света, что является центральной функцией исследований в области возобновляемых источников энергии.«Из всего света, поступающего от солнца, только около четырех процентов его содержит ультрафиолетовый свет, что делает ультрафиолетовый свет не лучшим вариантом с точки зрения производства энергии.
Кроме того, ультрафиолетовый свет вреден для окружающей среды», — добавил Ван.