Путь химической реакции, имеющий ключевое значение для биологии растений, был адаптирован для формирования основы нового процесса, который превращает воду в водородное топливо, используя энергию солнца.

В недавнем исследовании, проведенном в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, ученые объединили два мембранно-связанных белковых комплекса для полного превращения молекул воды в водород и кислород.

Работа основана на более раннем исследовании, в котором рассматривался один из этих белковых комплексов, называемый Фотосистемой I, мембранный белок, который может использовать энергию света для подачи электронов к неорганическому катализатору , вырабатывающему водород. Эта часть реакции, однако, представляет собой только половину всего процесса, необходимого для генерации водорода.

Используя второй белковый комплекс, который использует энергию света для расщепления воды и извлечения из нее электронов, называемый Фотосистемой II, аргоннский химик Лиза Утшиг и ее коллеги смогли взять электроны из воды и подать их в Фотосистему I.

«Прелесть этого дизайна в его простоте — вы можете самостоятельно собрать катализатор с натуральной мембраной, чтобы сделать химию, которую вы хотите», — Лиза Утшиг, химик Argonne

В более раннем эксперименте исследователи предоставили Фотосистеме I электроны от жертвенного донора электронов. «Хитрость заключалась в том, как быстро получить два электрона к катализатору», — сказал Утшиг.

Два белковых комплекса встроены в тилакоидные мембраны , подобные тем, которые находятся внутри хлоропластов, создающих кислород, у высших растений. «Мембрана, которую мы взяли непосредственно у природы, очень важна для сопряжения двух фотосистем», — сказал Утшиг. «Он структурно поддерживает их обоих одновременно и обеспечивает прямой путь межбелкового переноса электронов, но не препятствует связыванию катализатора с Фотосистемой I».

По словам Утшига, Z-схема — это техническое название светопроводящей цепи переноса электронов естественного фотосинтеза, которая происходит в тилакоидной мембране, — и синтетический катализатор соединяются довольно элегантно. «Прелесть этого дизайна в его простоте — вы можете самостоятельно собрать катализатор с естественной мембраной, чтобы выполнить химический процесс, который вы хотите», — сказала она.

Еще одно усовершенствование включало замену кобальтовых или никельсодержащих катализаторов дорогим платиновым катализатором, который использовался в более раннем исследовании. Новые кобальтовые или никелевые катализаторы могут значительно снизить потенциальные затраты.

По словам Утшига, следующим шагом для исследования является включение мембраносвязанной Z-схемы в живую систему. «Как только у нас будет система in vivo , в которой этот процесс происходит в живом организме, мы действительно сможем увидеть, как резина выходит на дорогу с точки зрения производства водорода», — сказала она.