Díky novým poznatkům o detailech fotosyntetického štěpení vody se zlepšují vyhlídky na vývoj čistých paliv na bázi vody a slunečního světla
Problémy společnosti se zásobováním energií by v budoucnu mohl vyřešit model převzatý z přírody. Při fotosyntéze vyrábějí rostliny, řasy a některé druhy bakterií cukry a další energeticky bohaté látky (tj. paliva) s využitím sluneční energie. Tým vedený výzkumníky z Institutu Maxe Plancka pro chemickou přeměnu energie v Mülheimu an der Ruhr v současné době vyvíjí experimentální metody, aby zjistil, jak tento proces probíhá v přírodě. Vědci zkoumají zvláště důležitý kofaktor zapojený do fotosystézy, komplex manganu a vápníku, který využívá sluneční energii ke štěpení vody na molekulární kyslík. Určili přesnou strukturu tohoto komplexu v klíčové fázi této chemické reakce. To vedlo k podrobnému návrhu, jak se v tomto kovovém komplexu tvoří molekulární kyslík, O2. Díky těmto novým poznatkům o fotosyntéze vědci poskytli plán pro syntetické systémy, které by mohly uchovávat energii slunečního světla v chemických nosičích energie.
Struktura manganového klastru, jak se nachází v přírodě a před vznikem vazby O-O. V pozadí cyklus štěpení vody s mezistavy S0 až S4. © Schéma: MPI pro chemickou přeměnu energie 
Přes tři miliardy let využívá příroda sluneční světlo jako primární zdroj energie při fotosyntéze. V průběhu tohoto procesu rostliny, řasy a sinice (sinice) využívají sluneční světlo ke štěpení vody a výrobě energeticky bohatých chemických sloučenin z oxidu uhličitého (CO2). Konečným produktem jsou sacharidy, které v přírodě fungují jako sluneční palivo v živé buňce. Přestože základní reakce probíhající při fotosyntéze jsou známy již dlouhou dobu, vědcům z Institutu Maxe Plancka pro chemickou přeměnu energie v Mülheimu an der Ruhr a Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) ve francouzském Saclay se nyní podařilo vysvětlit důležité detaily procesu štěpení vody vyvolaného světlem. Díky tomu zdokonalili vědecký základ pro výrobu ekologicky šetrných a levných solárních paliv pomocí umělé fotosyntézy využívající sluneční světlo a vodu, což by mohlo společnosti umožnit ukončit závislost na fosilních palivech, jako je ropa, uhlí a zemní plyn.
Katalyzátor štěpení vody
Světlem indukované katalytické štěpení vody probíhá na kovovém komplexu, který je zabudován do velkého membránového proteinu (fotosystém II). Tento komplex se skládá ze čtyř atomů manganu (Mn) a jednoho atomu vápníku (Ca), které jsou spojeny sítí kyslíkových můstků (viz obrázek). Tento komplex oxidující vodu nebo vyvíjející kyslík prochází složitým cyklem, při kterém se uvolňují elektrony a protony, a tedy nakonec i vodík a molekulární kyslík.
V článku publikovaném tento týden v časopise Science představuje německo-francouzský výzkumný tým strukturu tohoto komplexu manganu a vápníku přímo před produkcí kyslíku. Tento pohled na klíčovou fázi rostlinné fotosyntézy je velmi významný: poskytuje podrobnější pochopení mechanismu, který se na fotosyntéze podílí, a umožní vývoj syntetických systémů pro světlem indukované štěpení vody založených na tomto modelu.
Studie je výsledkem úzké spolupráce mezi odděleními biofyzikální chemie a molekulární teorie v Ústavu Maxe Plancka pro chemickou přeměnu energie pod vedením Wolfganga Lubitze a Franka Neeseho. V rámci těchto oddělení sestavili Nicholas Cox a Dimitrios Pantazis interdisciplinární tým, jehož cílem je lépe porozumět molekulárním detailům štěpení vody v přírodě.
Tři výzvy, které výzkum fotosystému II představuje
První výzvou, které výzkumníci čelili, byla extrakce a purifikace fotosystému II s plně neporušeným komplexem štěpícím vodu z původního organismu, termofilní sinice, která se vyskytuje v horkých pramenech a sopkách v Japonsku a je velmi odolná. Aby byly splněny velmi přísné požadavky na kvalitu přípravku, museli výzkumníci v Saclay provést několik let vývojových prací ve spolupráci s výzkumníky z Japonska.
Druhá výzva, na kterou výzkumný tým narazil, se týkala charakterizace manganového komplexu ve fotosystému II během různých fází štěpení vody. Výzkumníci z oddělení biofyzikální chemie mülheimského Institutu Maxe Plancka tuto překážku překonali pomocí elektronové paramagnetické rezonance (EPR). Tato technika umožňuje vizualizovat rozložení elektronů v molekule nebo kovovém komplexu a umožňuje tak hluboký vhled do jednotlivých fází štěpení vody. „Tato měření přinesla nové informace a umožnila vyřešit problémy týkající se detailní analýzy molekulárních struktur v reakčním cyklu, které nejsou přístupné pomocí jiných metod,“ říká Dr. Alain Boussac z CEA Saclay.
Třetí úkol nakonec spočíval ve využití získaných informací k vytvoření kompletního strukturního modelu biokatalyzátoru. Výpočty potřebné pro tento proces byly usnadněny použitím nových teoretických metod a superpočítačů v oddělení molekulární teorie v Institutu Maxe Plancka. Vědcům se tak podařilo prokázat, že v pozdní fázi reakčního cyklu se vedle aktivního atomu kyslíku v komplexu váže druhá molekula vody a uvolňuje proton. To vede k vytvoření vazby O-O v dalším kroku.
Palivo ze slunečního světla – kopírování přírody
Díky tomuto rozluštění struktury a funkce katalyzátoru štěpení vody ve fotosystému II na atomární úrovni je nyní vysvětlení mechanismu štěpení vody na dosah. Tyto poznatky umožňují určit důležitá kritéria pro návrh podobných syntetických katalyzátorů, které štěpí vodu s využitím ekologicky šetrných, levných a snadno dostupných prvků. V současné době se k tomuto účelu hojně využívá drahá platina a další vzácné kovy nebo komplexy kovů. To způsobuje, že výroba obnovitelných nosičů energie (paliv), jako je vodík, je ve velkém měřítku velmi drahá, nebo dokonce nemožná.
Pomocí bioinspirovaných katalyzátorů by bylo možné levně vyrábět vodík nebo jiné solární palivo kombinací solárních zařízení s katalyzátory štěpícími vodu pro výrobu solárních paliv místo elektřiny. To by energetice umožnilo překonat hlavní problémy spojené se solární energií: sluneční světlo není jako zdroj energie k dispozici nepřetržitě a elektřina se příliš nehodí pro pohon motorových vozidel. Koncepce solárních paliv naopak umožňuje přímé ukládání sluneční energie do chemických sloučenin, a tedy využití této energie kdykoli a kdekoli.
„Syntetická solární paliva otevírají široké možnosti pro technologie obnovitelných zdrojů energie, zejména pro odvětví dopravy a infrastruktury, která jsou dosud závislá na fosilních palivech,“ říká profesor Wolfgang Lubitz, ředitel Institutu Maxe Plancka pro chemickou přeměnu energie. „Účinný světlem poháněný katalyzátor štěpící vodu na bázi běžných kovů, jako je mangan, by zde představoval obrovský pokrok. Poznatky o přírodním enzymu štěpícím vodu získané díky tomuto výzkumu položily základy pro takový vývoj.“
ES/PH