Dzięki nowemu wglądowi w szczegóły fotosyntetycznego rozszczepiania wody, poprawiają się perspektywy rozwoju czystych paliw opartych na wodzie i świetle słonecznym
Problemy społeczeństwa związane z zaopatrzeniem w energię mogą zostać w przyszłości rozwiązane przy użyciu modelu zaadoptowanego z natury. Podczas fotosyntezy rośliny, algi i niektóre gatunki bakterii wytwarzają cukry i inne substancje bogate w energię (czyli paliwa), wykorzystując energię słoneczną. Zespół naukowców z Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion w Mülheim an der Ruhr opracowuje obecnie metody eksperymentalne, aby sprawdzić, jak proces ten przebiega w naturze. Naukowcy badają szczególnie ważny kofaktor biorący udział w fotosyntezie, kompleks manganowo-wapniowy, który wykorzystuje energię słoneczną do rozkładu wody na tlen cząsteczkowy. Udało im się ustalić dokładną strukturę tego kompleksu w kluczowym etapie tej reakcji chemicznej. Doprowadziło to do szczegółowej sugestii, w jaki sposób tlen cząsteczkowy, O2, jest tworzony w tym kompleksie metali. Poprzez te nowe spostrzeżenia na temat fotosyntezy, naukowcy dostarczyli schemat dla syntetycznych systemów, które mogłyby przechowywać energię światła słonecznego w chemicznych nośnikach energii.
Struktura klastra manganu, jak to występuje w naturze i przed utworzeniem wiązania O-O. W tle cykl rozszczepiania wody z pośrednimi stanami S0 do S4. © Diagram: MPI for Chemical Energy Conversion 
Od ponad trzech miliardów lat przyroda wykorzystuje światło słoneczne jako podstawowe źródło energii w fotosyntezie. W trakcie tego procesu rośliny, algi i sinice (niebiesko-zielone algi) wykorzystują światło słoneczne do rozszczepiania wody i produkcji bogatych w energię związków chemicznych z dwutlenku węgla (CO2). Produktem końcowym są węglowodany, które w naturze pełnią rolę paliwa słonecznego w żywej komórce. Chociaż podstawowe reakcje zachodzące w fotosyntezie znane są od dawna, naukowcom z Instytutu Maxa Plancka ds. Chemicznej Konwersji Energii w Mülheim an der Ruhr oraz z Commissariat a l’Énergie Atomique (CEA) w Saclay we Francji udało się teraz wyjaśnić ważne szczegóły procesu rozszczepiania wody pod wpływem światła. W rezultacie udoskonalili podstawy naukowe wytwarzania przyjaznych dla środowiska, tanich paliw słonecznych poprzez sztuczną fotosyntezę z wykorzystaniem światła słonecznego i wody, rozwój, który mógłby umożliwić społeczeństwu zakończenie zależności od paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa, węgiel i gaz ziemny.
Katalizator rozszczepiania wody
Katalityczne rozszczepianie wody wywołane światłem zachodzi w kompleksie metali, który jest osadzony w dużym białku membranowym (fotosystem II). Kompleks ten składa się z czterech atomów manganu (Mn) i jednego atomu wapnia (Ca), które są utrzymywane razem przez sieć mostków tlenowych (patrz obrazek). Ten utleniający wodę lub rozwijający tlen kompleks przechodzi skomplikowany cykl, który uwalnia elektrony i protony, a więc ostatecznie wodór i tlen cząsteczkowy.
W artykule opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Science, niemiecko-francuski zespół badawczy przedstawia strukturę tego kompleksu manganowo-wapniowego bezpośrednio przed produkcją tlenu. Ten wgląd w kluczowy etap fotosyntezy roślinnej jest bardzo istotny: zapewnia bardziej szczegółowe zrozumienie mechanizmu zaangażowanego w fotosyntezę i umożliwi rozwój systemów syntetycznych do indukowanego światłem rozszczepiania wody w oparciu o ten model.
Badania te są wynikiem ścisłej współpracy pomiędzy wydziałami chemii biofizycznej i teorii molekularnej w Instytucie Maxa Plancka dla Chemicznej Konwersji Energii pod kierownictwem Wolfganga Lubitza i Franka Neese. W ramach tych wydziałów Nicholas Cox i Dimitrios Pantazis stworzyli interdyscyplinarny zespół, którego celem jest lepsze zrozumienie molekularnych szczegółów rozszczepiania wody w przyrodzie.
Trzy wyzwania postawione przez badania nad fotosystemem II
Pierwsze wyzwanie, przed którym stanęli naukowcy, dotyczyło ekstrakcji i oczyszczenia fotosystemu II z całkowicie nienaruszonym kompleksem rozszczepiającym wodę z oryginalnego organizmu, termofilnej cyjanobakterii, która występuje w gorących źródłach i wulkanach w Japonii i jest bardzo wytrzymała. Aby spełnić bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące jakości preparatu, naukowcy z Saclay musieli przeprowadzić kilka lat prac rozwojowych we współpracy z badaczami z Japonii.
Drugie wyzwanie, z jakim zetknął się zespół badawczy, dotyczyło charakterystyki kompleksu manganu w fotosystemie II podczas różnych etapów rozszczepiania wody. Naukowcy z Wydziału Chemii Biofizycznej Instytutu Maxa Plancka w Mülheim pokonali tę przeszkodę za pomocą elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR). Technika ta umożliwia wizualizację rozmieszczenia elektronów w cząsteczce lub kompleksie metali, a tym samym zapewnia głęboki wgląd w poszczególne etapy rozszczepiania wody. „Pomiary te wygenerowały nowe informacje i umożliwiły rozwiązanie problemów dotyczących szczegółowej analizy struktur molekularnych w cyklu reakcji, które nie są dostępne przy użyciu innych metod” – mówi dr Alain Boussac z CEA Saclay.
Wreszcie, trzecie wyzwanie polegało na wykorzystaniu uzyskanych informacji do stworzenia kompletnego modelu strukturalnego biokatalizatora. Obliczenia niezbędne do tego procesu ułatwiły nowe metody teoretyczne oraz superkomputery w Zakładzie Teorii Molekularnej w Instytucie Maxa Plancka. W ten sposób naukowcom udało się wykazać, że w późnej fazie cyklu reakcji druga cząsteczka wody wiąże się obok aktywnego atomu tlenu w kompleksie i uwalnia proton. Prowadzi to do utworzenia wiązania O-O w następnym etapie.
Paliwo ze światła słonecznego – kopiowanie natury
Dzięki temu rozszyfrowaniu struktury i funkcji katalizatora rozszczepiającego wodę w fotosystemie II na poziomie atomowym, wyjaśnienie mechanizmu rozszczepiania wody jest teraz w zasięgu ręki. Wiedza ta pozwala na określenie ważnych kryteriów projektowania podobnych syntetycznych katalizatorów rozszczepiających wodę przy użyciu przyjaznych dla środowiska, tanich i łatwo dostępnych pierwiastków. Obecnie do tego celu powszechnie stosuje się kosztowną platynę i inne rzadkie metale lub kompleksy metali. Powoduje to, że produkcja na dużą skalę odnawialnych nośników energii (paliw), takich jak wodór, jest bardzo kosztowna lub wręcz niemożliwa.
Z pomocą katalizatorów inspirowanych biologicznie, wodór lub inne paliwo słoneczne mogłoby być produkowane tanio poprzez połączenie urządzeń wykorzystujących energię słoneczną z katalizatorami rozszczepiającymi wodę do wytwarzania paliw słonecznych zamiast energii elektrycznej. Umożliwiłoby to sektorowi energetycznemu przezwyciężenie głównych problemów związanych z energią słoneczną: światło słoneczne nie jest dostępne przez całą dobę jako źródło energii, a energia elektryczna nie nadaje się zbyt dobrze do napędzania pojazdów mechanicznych. W przeciwieństwie do tego, koncepcja paliwa słonecznego umożliwia bezpośrednie magazynowanie energii słonecznej w związkach chemicznych, a tym samym wykorzystanie tej energii w dowolnym czasie i miejscu.
„Syntetyczne paliwa słoneczne otwierają szerokie możliwości dla technologii energii odnawialnej, w szczególności dla sektorów transportu i infrastruktury, które nadal są uzależnione od paliw kopalnych”, mówi profesor Wolfgang Lubitz, dyrektor w Instytucie Maxa Plancka ds. Chemicznej Konwersji Energii. Maxa Plancka. „Efektywny, napędzany światłem katalizator rozszczepiania wody oparty na powszechnie stosowanych metalach, takich jak mangan, stanowiłby ogromny postęp w tej dziedzinie. Uzyskany dzięki tym badaniom wgląd w naturalny enzym rozszczepiający wodę położył podwaliny pod taki rozwój.”
ES/PH
.