Конструкции, выполненные с помощью ДНК-каркаса, могут использоваться для создания солнечных материалов. Организовывая пигменты на ДНК-каркасе, команда исследователей, возглавляемая MIT, разработала легкий материал для сбора солнечной энергии, который точно имитирует структуру естественных фотосинтетических структур.
Такой синтетический материал может поглощать свет и эффективно передавать его энергию по точно контролируемым путям. Этот тип структуры может быть включен в такие материалы, как стекло или текстиль, что позволяет им собирать или иным образом контролировать поступающую энергию от солнечного света.
— Это первая демонстрация чисто синтетической имитации естественной схемы сбора света, состоящей из плотно упакованных кластеров красителей, которые точно организованы пространственно в нанометровом масштабе, как показано в бактериальных системах. Одна миллиардная часть метра, или 1/10000 — толщина человеческого волоса, — отметил Марк Бат, адъюнкт-профессор биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте.
Бат является одним из старших авторов нового исследования вместе с Аланом Аспуру-Гузиком, профессором химии и химической биологии Гарвардского университета, и Хао Яном, профессором химии и биохимии из Аризонского государственного университета.
За миллиарды лет растения и фотосинтетические бактерии развили эффективные клеточные структуры для сбора энергии от солнца. Этот процесс требует захвата фотонов (световой энергии) и преобразования их в экситоны — особый тип квазичастицы, который может переносить энергию. Затем энергия от этих экситонов передается другим молекулам в виде белка и пигментов, известном как реакционный центр, и в конечном итоге используется растением для создания молекул сахара.
В то время как ученые разработали надежные методы переноса электронов (таких как полупроводники) и фотонов (волоконная оптика), разработка способов управления экситонами оказалась более сложной задачей.
Четыре года назад Бат, Аспуру-Гузик и Ян начали работать над синтетическими структурами, которые могли бы имитировать естественные сборщики света. Обычно они встречаются в клеточных органеллах, называемых хлоропластами, и имеют сложную структуру, которая эффективно захватывает и переносит солнечную энергию в масштабе нанометров.
Исследователи попытались имитировать эти структуры, присоединив свежесобранные пигменты для изучения схем, сделанных из ДНК. За последние несколько лет лаборатория Бата разработала новые способы программирования ДНК, чтобы сфокусироваться в определенных формах, а в прошлом году Бат и его коллеги создали новый инструмент для компьютерного программирования, который автоматизирует процесс проектирования каркасов ДНК практически любой формы.
Для этого исследования они использовали ДНК для пространственной организации плотно упакованных кластеров пигментов, подобных тем, которые были найдены в природе. Синтетический пигмент, называемый псевдоизоцианином (ПИК), агрегатируется на определенные последовательности естественной ДНК, чтобы сформировать тип структуры, которую искали исследователи, называемый J-агрегатом. Однако, поскольку в этом подходе использовалась встречающаяся в природе ДНК, не было возможности контролировать расстояние, размер или трехмерную пространственную организацию кластеров.
Путем программирования конкретных последовательностей ДНК исследователи могут контролировать точное местоположение и плотность кластеров молекул красителя, которые располагаются на жестком двухцепочечном каркасе ДНК. Они вычислительно моделировали, как факторы, такие как количество молекул красителя, их ориентация и расстояния между ними, влияют на эффективность результирующих цепей, анализируя различные варианты схем для эффективности передачи энергии.
— Фотосинтезирующие организмы организовывают свои светособирающие молекулы, используя белковые схемы. До сих пор такое структурное управление было трудно реализовать в синтетических системах. Похоже, что ДНК-оригами является средством подражания многим принципам фотосинтетических светособирающих комплексов, — отметил Грегори Скоулз, профессор химии Принстонского университета.
Благодаря методам спектроскопии для анализа световых сборных систем, как природных, так и синтетических, удалось увидеть, что эти плотные пигментные схемы способны эффективно поглощать световую энергию и транспортировать ее по определенным путям.
Исследователи полагают, что эти синтетические структуры могут быть интегрированы в 2-D и 3-D материалы, такие как стекло или текстиль, позволяя этим материалам поглощать солнечный свет и преобразовывать их в другие виды энергии, такие как электричество, или в противном случае хранить или использовать энергию. Структуры могут также стать новым основанием для квантовых нанокомпьютеров, используя экситонные схемы в качестве квантовых логических вентилей.
Теперь исследователи планируют изучить пути повышения эффективности этих синтетических световых систем, включая поиск более эффективных пигментов.