A fotoszintetikus vízbontás részleteinek új megismerése révén javulnak a víz- és napfényalapú tiszta üzemanyagok kifejlesztésének kilátásai
A társadalom energiaellátási problémáit a jövőben a természetből vett modellel lehetne megoldani. A fotoszintézis során a növények, az algák és egyes baktériumfajok a napenergia felhasználásával cukrokat és más energiában gazdag anyagokat (azaz üzemanyagokat) állítanak elő. A mülheimi Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion (Mülheim an der Ruhr) kutatói által vezetett csoport jelenleg kísérleti módszereket dolgoz ki annak megállapítására, hogyan zajlik ez a folyamat a természetben. A tudósok a fotoszintézisben részt vevő egyik különösen fontos kofaktort, egy mangán-kalcium-komplexet vizsgálnak, amely a napenergia segítségével a vizet molekuláris oxigénné hasítja. Meghatározták ennek a komplexnek a pontos szerkezetét a kémiai reakció egy döntő szakaszában. Ennek eredményeképpen részletes javaslatot tettek arra, hogy hogyan keletkezik a molekuláris oxigén, az O2 ebben a fémkomplexben. A fotoszintézis ezen új meglátásai révén a tudósok olyan szintetikus rendszerek tervrajzát adták meg, amelyek a napfény energiáját kémiai energiahordozókban tárolhatják.
A mangán-klaszter szerkezete, ahogyan a természetben megtalálható, az O-O kötés kialakulása előtt. A háttérben a vízhasadási ciklus az S0-S4 köztes állapotokkal. © Diagram: MPI for Chemical Energy Conversion 
A természet több mint hárommilliárd éve a napfényt használja elsődleges energiaforrásként a fotoszintézisben. E folyamat során a növények, algák és cianobaktériumok (kék-zöld algák) a napfényt arra használják, hogy vizet hasítsanak és szén-dioxidból (CO2) energiában gazdag kémiai vegyületeket állítsanak elő. A végtermék szénhidrátok, amelyek a természetben az élő sejtben napenergiával működő üzemanyagként működnek. Bár a fotoszintézis alapreakciói már régóta ismertek, a Mülheim an der Ruhr-i Max Planck Kémiai Energiaátalakítási Intézet és a franciaországi Saclay-ban működő Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) kutatóinak most sikerült megmagyarázniuk a fény által kiváltott vízhasadási folyamat fontos részleteit. Ennek eredményeként finomították a környezetbarát, olcsó napenergia-üzemanyagok mesterséges fotoszintézis révén, napfény és víz felhasználásával történő előállításának tudományos alapjait, ami lehetővé tenné, hogy a társadalom megszüntesse függőségét a fosszilis tüzelőanyagoktól, például a kőolajtól, a széntől és a földgáztól.
A vízhasító katalizátor
A fényindukált katalitikus vízhasítás egy nagy membránfehérjébe ágyazott fémkomplexben (Fényrendszer II) megy végbe. Ez a komplex négy mangánatomból (Mn) és egy kalciumatomból (Ca) áll, amelyeket oxigénhidak hálózata tart össze (lásd a képet). Ez a vízoxidáló vagy oxigénképző komplex egy bonyolult cikluson megy keresztül, amelynek során elektronok és protonok, így végül hidrogén és molekuláris oxigén szabadul fel.
A Science folyóiratban a héten megjelent cikkben a német-francia kutatócsoport bemutatja ennek a mangán-kalcium-komplexnek a szerkezetét közvetlenül az oxigéntermelés előtt. Ez a betekintés a növényi fotoszintézis egyik kulcsfontosságú szakaszába rendkívül jelentős: részletesebb képet ad a fotoszintézisben részt vevő mechanizmusról, és lehetővé teszi a fényindukált vízbontás ezen a modellen alapuló szintetikus rendszereinek kifejlesztését.
A tanulmány a Max Planck Kémiai Energiaátalakítási Intézet biofizikai kémiai és molekuláris elméleti tanszékei közötti szoros együttműködés eredménye Wolfgang Lubitz és Frank Neese vezetésével. Ezeken az osztályokon belül Nicholas Cox és Dimitrios Pantazis egy interdiszciplináris csapatot állított össze, amelynek célja a természetben zajló vízhasadás molekuláris részleteinek jobb megértése.
A fotoszisztéma II kutatásának három kihívása
A kutatók előtt álló első kihívás a teljesen ép vízhasító komplexszel rendelkező fotoszisztéma II kivonása és tisztítása volt az eredeti szervezetből, egy termofil cianobaktériumból, amely Japánban forró forrásokban és vulkánokban található és nagyon robusztus. A készítmény minőségére vonatkozó igen szigorú követelmények teljesítéséhez a Saclay-i kutatóknak több éves fejlesztési munkát kellett végezniük japán kutatókkal együttműködve.
A második kihívás, amellyel a kutatócsoport szembesült, a II. fotoszisztéma mangánkomplexének jellemzése volt a vízhasadás különböző szakaszaiban. A mülheimi Max Planck Intézet biofizikai kémiai osztályának kutatói ezt az akadályt az elektronparamágneses rezonancia (EPR) segítségével vették. Ez a technika lehetővé teszi az elektronok eloszlásának láthatóvá tételét egy molekulában vagy fémkomplexben, és így mély betekintést nyújt a vízhasadás egyes szakaszaiba. “Ezek a mérések új információkat generáltak, és lehetővé tették a reakcióciklus molekulaszerkezeteinek részletes elemzésével kapcsolatos problémák megoldását, amelyek más módszerekkel nem hozzáférhetőek” – mondja Dr. Alain Boussac, a CEA Saclay munkatársa.
A harmadik kihívás végül abban állt, hogy a kapott információkat a biokatalizátor teljes szerkezeti modelljének elkészítésére használják fel. Az ehhez szükséges számításokat új elméleti módszerek és a Max Planck Intézet Molekulaelméleti Tanszékén működő szuperszámítógépek segítségével könnyítették meg. A kutatóknak így sikerült kimutatniuk, hogy a reakcióciklus késői fázisában egy második vízmolekula kötődik a komplex aktív oxigénatomja mellé, és egy protont szabadít fel. Ez vezet a következő lépésben az O-O kötés kialakulásához.
Tüzelőanyag a napfényből – a természet másolása
A II. fotoszisztéma vízbontó katalizátorának szerkezetének és működésének atomi szintű megfejtésének köszönhetően most már elérhető közelségbe került a vízbontás mechanizmusának magyarázata. Ez a tudás lehetővé teszi a hasonló szintetikus vízbontó katalizátorok tervezéséhez szükséges fontos kritériumok meghatározását környezetbarát, olcsó és könnyen hozzáférhető elemek felhasználásával. Jelenleg a drága platina és más ritka fémek vagy fémkomplexek széles körben használatosak erre a célra. Ez a hidrogénhez hasonló megújuló energiahordozók (üzemanyagok) nagyüzemi előállítását nagyon drágává, sőt lehetetlenné teszi.
Bioinspirált katalizátorok segítségével olcsón lehetne hidrogént vagy más napenergiával előállított üzemanyagot előállítani napenergia-berendezések és vízhasító katalizátorok kombinálásával, hogy villamos energia helyett napenergiával előállított üzemanyagot állítsanak elő. Ez lehetővé tenné az energiaszektor számára, hogy leküzdje a napenergiával kapcsolatos fő problémákat: a napfény nem áll rendelkezésre éjjel-nappal, mint energiaforrás, és a villamos energia nem nagyon alkalmas gépjárművek működtetésére. Ezzel szemben a napenergia-üzemanyag koncepciója lehetővé teszi a napenergia közvetlen tárolását kémiai vegyületekben, és így ennek az energiának a felhasználását bármikor és bárhol.
“A szintetikus napenergia-üzemanyagok széleskörű lehetőségeket nyitnak a megújuló energiával kapcsolatos technológiák előtt, különösen a közlekedési és infrastrukturális szektorban, amely még mindig a fosszilis tüzelőanyagoktól függ” – mondta Wolfgang Lubitz professzor, a Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion igazgatója. “Egy hatékony, fényvezérelt, vízbontó katalizátor, amely olyan közönséges fémeken alapul, mint a mangán, hatalmas előrelépést jelentene ezen a téren. A természet vízbontó enzimjébe e kutatás révén nyert betekintés megalapozta az ilyen fejlesztéseket.”
ES/PH