Fotosynteza to proces, który od ponad 3 miliardów lat zasila życie na Ziemi. Zachodzi w chloroplastach, czyli „zielonych elektrowniach” komórek roślin i glonów, jak również w komórkach cyjanobakterii, ewolucyjnych prekursorów chloroplastów. To właśnie tam energia światła słonecznego zamieniana jest w cukry, a więc w podstawowe pożywienie dla roślin i, pośrednio, dla niemal wszystkich organizmów na naszej planecie.
Z perspektywy nauki chloroplast jest jedną z najbardziej zaawansowanych „technologii” znanych w przyrodzie. Mimo ogromnego postępu w fizyce, chemii i inżynierii wciąż nie potrafimy wydajnie odtworzyć procesu napędzanego energią słoneczną, w którym z wody i dwutlenku węgla, powszechnie występujących w przyrodzie, powstają złożone cząsteczki organiczne o szerokim zastosowaniu w praktycznie każdej sferze życia.
Naukowcy już od jakiegoś czasu zastanawiali się, jak wykorzystać biologiczną fotosyntezę do produkcji energii elektrycznej i paliw słonecznych. Pozwoliłoby to na wytwarzanie prądu w sposób nie tylko tani i ekologiczny, ale też niezależny od zewnętrznych źródeł, na nieznaną wcześniej skalę.
Kluczowym elementem tych badań jest tzw. fotosystem I (PSI) – jeden z podstawowych kompleksów białkowych chloroplastu i komórek cyjanobakterii. Ta nanoskopowa maszyna molekularna odpowiada za pierwszy etap zamiany energii światła w energię elektryczną: po pochłonięciu fotonu inicjuje on uporządkowany i ukierunkowany przepływ elektronów.
U roślin proces ten zachodzi z wyjątkowo wysoką wydajnością – bliską stuprocentowej na poziomie pojedynczych reakcji fotochemicznych – co czyni PSI jednym z najsprawniejszych przetworników energii znanych w przyrodzie.
Problem w tym, że poza naturalnym środowiskiem PSI traci swoją uporządkowaną organizację w czasie osadzania na materiałach elektrodowych. W warunkach laboratoryjnych cząsteczki PSI przyłączają się do powierzchni elektrod losowo, co prowadzi do niestabilnego i słabo kontrolowanego przepływu elektronów. W efekcie tylko część z nich pracuje „we właściwą stronę”, a sprawność całego układu gwałtownie spada. Kluczowym wyzwaniem stało się więc takie uporządkowanie PSI, aby jego działanie na elektrodach było przewidywalne, wydajne i powtarzalne.
To właśnie ten problem rozwiązał zespół badawczy prof. Joanny Kargul z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. Naukowcom udało się kontrolować orientację PSI, przytwierdzając genetycznie zmodyfikowane cząsteczki tego białka do powierzchni grafenu. Dzięki temu aż 40 procent fotosystemów przyłączało się we właściwym ustawieniu, co – w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami – przełożyło się na trzykrotny wzrost wydajności generowanego prądu.
Elektryzujący glon
PSI działa na zasadzie diody: ma stronę, z której elektrony powinny „wypływać”, i stronę, do której powinny docierać w skali nanosekundowej pod wpływem światła słonecznego. Jeśli przyklei się „do góry nogami” lub pod kątem, prąd nie popłynie lub będzie płynąć słabo – trochę jak w żarówce, w której gwint musi być dobrze zamontowany w oprawce, by świeciła.
Aby temu zapobiec, naukowcy wyposażyli PSI w maleńki białkowy znacznik, tzw. His-tag. Jest to łańcuch sześciu aminokwasów – histydyn (stąd nazwa) – które łatwo wiążą się z jonami metali. Wykorzystując jony niklu jako molekularny „haczyk”, badacze precyzyjnie przytwierdzili PSI do powierzchni elektrody w pożądanym ustawieniu.
Jak jednak udało się wprowadzić His-tag do PSI? Okazuje się, że nie był to mechanicznie doklejony dodatek. Badacze zrobili coś sprytnego: zmodyfikowali genetycznie mikroskopijny glon ekstremofilny o nazwie Cyanidioschizon merloae, tak, aby w jego naturalny kompleks PSI był już wbudowany ów „uchwyt” potrzebny dalej w eksperymencie.
Cyanidioschizon wyjątkowo dobrze nadawał się do tej roli. Ten glon z rodziny krasnorostów cechuje ogromna odporność na ekstremalne warunki środowiska. Potrafi żyć w środowiskach ubogich i o niesprzyjającym odczynie pH dla innych form życia – nawet w gorących źródłach! Jego fotosystem jest więc stabilny, trwały i nie degraduje się łatwo poza komórką. A ponadto to układ dobrze zbadany, przejrzysty i wyjątkowo stabilny w szerokim zakresie temperatury, natężenia światła i pH.
Produkowane przez niego PSI cechuje wyraźnie oddzielona strona oddająca elektrony, i przez to też świetnie nadaje się ono do „przyczepienia” do grafenu. Wreszcie, jako organizm jednokomórkowy, Cyanidioschizon ma bardzo mały genom – jego DNA zawiera stosunkowo niewiele genów. Jest zatem idealnym obiektem do modyfikacji genetycznych.
Badaczom udało się wprowadzić His-tag dokładnie do jednego białka w PSI, o nazwie PsaD, w precyzyjnie określonym miejscu i bez uszkadzania całego fotosystemu. Dzięki temu tak przygotowane PSI działa jak gotowy nanopanel słoneczny z wtyczką – gotowy do użycia w eksperymencie.
Prąd pod mikroskopem
Jak jednak sprawdzić, czy PSI ustawia się prawidłowo na powierzchni grafenu? W tym celu naukowcy w nowatorski sposób zastosowali technikę, która do tej pory była używana głównie do badania struktury białek i wirusów – tzw. cryo-EM, czyli kriomikroskopii elektronowej. A to, co udało się dzięki niej zobaczyć, stanowi niezwykle istotny wkład w naukę.
Cryo-EM to metoda badawcza, w której błyskawicznie zamraża się próbkę, a potem ogląda ją pod bardzo silnym mikroskopem elektronowym. Dzięki temu naukowcy mogą zobaczyć pojedyncze cząsteczki białek w różnych orientacjach, jakby patrzyli na „miniaturowe nanomaszyny” w ruchu.
– Po raz pierwszy udało nam się zobaczyć naocznie, na powierzchni grafenu, białko wyłapujące światło widzialne i generujące przepływ elektronów. Czyli nic innego, jak po prostu tzw. zielony prąd. Nikt wcześniej nie zobrazował tego typu białek na powierzchniach elektrodowych. To piękny przykład tego, jak biologia może współdziałać z inżynierią materiałową i zaawansowaną techniką obrazowania w nanoskali – mówi prof. Joanna Kargul.
Dotychczas bowiem badacze „zgadywali” – po prostu nie widzieli systemu PSI na elektrodzie. Wnioskowali o jego ułożeniu pośrednio, na podstawie wielkości generowanego prądu czy pomiarów przewodnictwa.
Metoda cryo-EM pozwoliła zobaczyć to, co było jedynie przedmiotem domysłów. To zaś nie tylko potwierdza skuteczność eksperymentu, ale też daje kontrolę nad racjonalnym projektowaniem takich układów w celu znacznego zwiększenia ich wydajności.
Cała nadzieja w grafenie
Ważnym bohaterem całego badania jest również grafen, materiał, z którego wykonana była powierzchnia elektrodowa dla molekularnego wiązania PSI. Ta przypominająca plastry miodu struktura węgla to prawdziwe źródło inspiracji dla naukowców. Grafen jest tak cienki, że jest niemal przezroczysty (jednoatomowa warstwa), a jednocześnie przewodzi prąd lepiej niż miedź i jest niezwykle elastyczny.
Grafen odgrywa coraz większą rolę choćby w medycynie, gdzie robi się z niego np. ultraczułe detektory. Można je naklejać na skórę jak plaster, by wykrywały puls czy napięcie mięśni. Ponadto projektuje się już grafenowe „inteligentne” elektrody mózgowe, które jednocześnie stymulują ten organ i pozwalają go obserwować, bez zaburzania obrazu.
Ponieważ cząsteczki grafenu tworzą szczelną sieć – przepuszczają H2O, ale zatrzymują wszelkie inne substancje – produkuje się z niego nowoczesne ekrany filtrujące wodę.
A to tylko niektóre zastosowania. Grafen znajduje się także w ultralekkich osłonach kosmicznych satelitów czy superczułych czujnikach wykrywających skażenie powietrza.
Po co nam jednak grafenowa energia i sztuczne odtwarzanie fotosyntezy, skoro istnieje już krzemowa fotowoltaika, powszechnie uważana za źródło czystego prądu?
– Zalety grafenu są bardzo proste. Przede wszystkim, technologia krzemowa jest prawie całkowicie skomercjalizowana przez Chiny. Jeśli chcemy być od tego niezależni, to musimy wymyślić coś własnego. W takim tworzeniu alternatywnych technologii energetycznych jesteśmy zresztą w Polsce i Europie bardzo dobrzy – mówi prof. Kargul.
Nie sam czynnik ekonomiczny ma tu jednak znaczenie. Grafen posiada konkretne zalety, które mogą stać się powodem jego przewagi.
– Jest materiałem tanim w produkcji, ale ma również praktycznie nieograniczone możliwości modyfikacji. Nie tylko takim białkiem, jakie wykorzystujemy w naszym laboratorium, ale też sztucznymi antenami wyłapującymi światło słoneczne i katalizatorami chemicznymi, służącymi do przetwarzania dwutlenku węgla czy azotu atmosferycznego w ekologiczne chemikalia. Poza tym, to materiał wytrzymały i dobrze przewodzący, ale także transparentny, więc w szerszej skali można go wykorzystać na przykład jako folię na okna i szyby samochodów – dodaje prof. Kargul.
Plastik z powietrza
Produkcja tzw. zielonego prądu przy użyciu naturalnych fotosystemów to dopiero pierwszy krok. W laboratorium można tę energię wykorzystać dalej – na przykład do przetwarzania dwutlenku węgla w przyjazne środowisku paliwa lub biodegradowalne plastiki. Do tej pory proces taki wymagał użycia światła ultrafioletowego (UV), które aktywuje tzw. katalizatory – związki chemiczne przyspieszające reakcje. Było to jednak kosztowne energetycznie.
Dziś naukowcy mogą wykorzystać światło widzialne, wychwytywane przez nowoczesne urządzenia, takie jak na przykład tzw. molekularna nanomaszyna w CeNT – specjalny system badawczy, który precyzyjnie kieruje energię słoneczną do reakcji chemicznych na poziomie pojedynczych cząsteczek. Dzięki temu proces staje się znacznie prostszy, tańszy i bardziej dostępny, co przybliża nas do prawdziwie czystej bioenergii.
Jednak już samo zwiększenie wydajności „biologicznego” prądu jest wielkim osiągnięciem. Może ono wkrótce przynieść praktyczne korzyści.
– Już teraz wytwarzamy w naszym laboratorium proste urządzenia, które da się zabrać ze sobą, a które nie są zależne od scentralizowanej sieci energetycznej. Możemy sobie wyobrazić, że będą one świetnie działały w obszarach nie tylko trudno dostępnych, ale też zniszczonych, choćby działaniami wojennymi. Nie zasilą póki co wioski, bo musielibyśmy mocno popracować nad kolejnym zwiększeniem wydajności. Na tym etapie są już jednak w stanie wytworzyć tyle prądu, by naładować telefon komórkowy czy zasilić nieskomplikowane procesory – mówi prof. Kargul.
Badania zespołu prof. Joanny Kargul, mimo że niedawno opublikowane, już przyciągnęły duże zainteresowanie. Można więc spodziewać się, że odkrycia te wywołają poruszenie w środowisku badawczym.
Czytaj więcej na: serwisnaukowy.uw.edu.pl
dr hab. Joanna Kargul, prof. ucz., jest kierownikiem Laboratorium Fotosyntezy i Paliw Słonecznych w Centrum Nowych Technologii (CeNT) UW. Prace jej zespołu koncentrują się na racjonalnym projektowaniu i budowie biomolekularnych systemów sztucznej fotosyntezy do produkcji odnawialnych paliw i innych chemikaliów. Równolegle jej zespół analizuje molekularne mechanizmy naturalnej fotosyntezy w warunkach ekstremalnych, stanowiącej wzorzec dla sztucznych systemów przetwarzania energii słonecznej na paliwo. Od lat jest członkiem zarządu SUNERGY, paneuropejskiej inicjatywy na rzecz przyspieszenia wdrażania technologii paliw słonecznych i chemikaliów. Fot. Narodowe Centrum Nauki
Materiał Partnera
