Растения выполняют тот же замечательный трюк, собирая лучистую энергию солнца и преобразовывая ее в биологическую энергию, необходимую для роста. Этот процесс, который совершенствовался за миллиарды лет, известен как фотосинтез.Теперь Хао Ян и Нил Вудбери из Института биодизайна ASU и коллеги из Гарварда и Массачусетского технологического института исследуют новые методы, позволяющие извлечь выгоду из секретов сбора света Природой. Их новое исследование описывает дизайн синтетической системы для сбора, преобразования и транспортировки энергии, которая может указать путь к инновациям в солнечной энергии, материаловедении, нанотехнологиях и фотонике.
«Эта совместная работа нескольких институтов демонстрирует хорошее использование нанотехнологии ДНК для пространственного контроля и организации хромофоров для будущих экситонных сетей», — сказал Ян.Световые движенияВ исследовании, опубликованном в расширенном онлайн-выпуске журнала Nature Materials, описывается система запрограммированной сборки светособирающих элементов или хромофоров.
В природных системах, таких как растения и фотосинтезирующие бактерии, пространственная организация плотно упакованных хромофоров жизненно важна для эффективной и направленной передачи энергии. Такие биологические системы точно размещают хромофоры на жестких каркасах, состоящих из белка.Практически вся жизнь на Земле прямо или косвенно зависит от фотосинтеза.
Организмы, использующие его, эффективно переносят энергию солнечного света от рецепторов, которые собирают фотоны солнечного света, к реакционным центрам, где можно использовать эту энергию — эффективность, которая легко может соперничать с наиболее эффективными солнечными элементами, созданными человеком.Попытки понять системы сбора естественного света у растений и фотосинтезирующих микробов начались не менее столетия. Хотя явления были поняты в общих чертах, детали оказались сложными, а проблемы при создании синтетических аналогов были значительными.
Растения осуществляют фотосинтез, преобразовывая фотоны света, падающие на их хромофоры, в другую форму энергии, известную как экситон. Экситон — это энергетическое состояние молекулы или тесно связанной группы молекул после того, как они возбуждаются поглощением света.
Экситоны ценны как в естественном фотосинтезе, так и в исследовательских усилиях по дублированию процесса, потому что они могут переносить энергию от одной молекулы к другой, энергию, которая в конечном итоге может использоваться для движения электронов.Ожидается, что солнечная энергия внесет значительный вклад в мировое энергоснабжение в следующем столетии, поскольку общество откажется от использования ископаемого топлива. Для этого исследователи должны научиться улавливать, передавать и хранить солнечную энергию с максимальной эффективностью по доступной цене.
Дизайн с натурыВ текущем исследовании молекулы красителя, реагирующие на определенные диапазоны световой энергии, используются в качестве синтетических хромофоров. Используя ДНК в качестве каркаса, можно точно контролировать относительные положения молекул красителя, лучше имитируя естественные системы.
Этот каркас ДНК может самособираться из 6 полосок одноцепочечной ДНК, свойства спаривания оснований которой заставляют ее формировать желаемую структуру. Форма, которая стала опорой в области нанотехнологий ДНК, известна как двойной кроссовер или DX-тайл. Он обычно используется в качестве основного строительного блока для запрограммированных сборок синтетической ДНК.Описанный метод позволяет моделировать оптимальное расположение хромофоров, создавая светособирающую цепь, которая может эффективно переносить энергию поглощенного фотона на расстояние вдоль архитектуры ДНК с минимальными потерями энергии на этом пути.
«Возможность моделировать и строить молекулярные схемы для сбора световой энергии и ее контролируемого перемещения, открывает двери для проектирования и разработки множества наноразмерных устройств, которые питаются и управляются светом», — сказал Вудбери.Полученная синтетическая схема позволяет тонко настраивать спектры поглощения хромофоров аналогично естественным светособирающим системам.
Частично этого можно добиться, точно контролируя ориентацию молекул красителя и их расстояние друг от друга.Квантовый скачокНедавно исследователи определили, что отчасти успех естественных фотосинтетических систем обусловлен причудливыми физическими эффектами, присущими квантовому миру. Оказывается, в фотосинтезирующих организмах, содержащих несколько плотно упакованных хромофоров, световое возбуждение может распределяться между молекулами.
Эта функция, известная как квантовая когерентность, может значительно повысить эффективность передачи энергии. Это одна из причин, по которой растения и фотосинтезирующие бактерии так хороши в этом.Эффективность биологических систем и наномашин в улавливании света и передаче энергии обусловлена высокоупорядоченной наноразмерной архитектурой фотоактивных молекул. В последние несколько десятилетий использование ДНК в качестве матрицы для организации функциональных элементов, таких как органические красители, в точные массивы, претерпело быстрое развитие.
В текущем исследовании свойства самосборки ДНК и хромофоров были использованы для точного определения местоположения сборок J-агрегатных хромофоров на DX-плитке. Эти J-агрегатные хромофорные сборки имеют светособирающие характеристики, аналогичные естественным светособирающим антеннам, используемым фотосинтезирующими пурпурными бактериями.Первым шагом было определение диапазона размеров хромофорных агрегатов красителя, которые могут успешно самоорганизовываться на отрезке двухцепочечной ДНК, сохраняя при этом эффективные свойства передачи энергии. Моделирование определило, что минимальная длина ДНК, необходимая для размещения стабильного J-агрегата хромофоров, составляет 8 пар оснований.
Затем была спроектирована, смоделирована и оптимизирована схема, состоящая из четырех агрегатов хромофоров, расположенных на плитке на основе DX, с использованием принципов квантовой динамики для управления рациональной сборкой множества дискретных агрегатов красителя в плитке DX ДНК. Агрегаты хромофоров были исследованы с помощью вычислений, чтобы идентифицировать конструкции последовательностей, демонстрирующие свойства быстрого переноса экситонов.
Затем была синтезирована оптимальная схема и сложные методы флуоресцентной спектроскопии были использованы для точной характеристики результатов. Дальнейшие исследования пытались точно охарактеризовать молекулярную организацию хромофоров внутри одного J-агрегата.Исследователи подсчитали, что совокупность из 6 молекул красителя будет собираться на сегменте ДНК из 8 пар оснований, что хорошо согласуется с более ранними оценками 8-12 молекул красителя для каждого витка двойной спиральной лестницы ДНК. Расстояние разделения 2 пар оснований было определено для обеспечения наилучшего экситонного взаимодействия между соседними агрегатами хромофоров.
Полученная схема показала свойства переноса энергии в соответствии с прогнозами моделирования.Будущий свет
Успех — еще одна демонстрация мощности и универсальности восходящего подхода к сборке наноразмерных архитектур. В частности, конструкция экситонных схем, подобных описанной, может привести к новым приложениям, выходящим за рамки технологии сбора света, включая инновации в области информационных и коммуникационных технологий, а также достижения в различных областях, от окружающей среды, транспорта, здравоохранения, производства и энергетики.