دانشمندان آمریکایی ساختار کاتالیست بیوهیبریدی برای تولید سوخت هیدروژنی از نور را کشف کردند
در گامی مهم به سوی راه‌حل‌های انرژی پایدار، محققان در آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه ییل ساختار پیچیده یک کاتالیست بیوهیبریدی، که نور را به سوخت هیدروژنی تبدیل می‌کند، آشکار کرده‌اند.
این کاتالیست، فتوسیستم I (PSI) را با نانوذرات پلاتین ترکیب کرده و پتانسیل تغییر تولید انرژی پاک را با تولید کارآمد سوخت هیدروژنی دارد.
فتوسنتز، فرآیندی که توسط آن گیاهان و سایر ارگانیسم‌ها نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند، به پروتئین‌های پیچیده‌ای به نام فتوسیستم‌ها متکی است.
محققان در یک مطالعه توضیح دادند: «در فتوسنتز، جذب نور خورشید منجر به انباشت الکترون‌های پتانسیل پایین می‌شود که فرآیندهای متابولیک را هدایت کرده و منجر به ذخیره انرژی در پیوندهای شیمیایی می‌شود.»
PSI که به کارآیی آن در جذب و تبدیل انرژی نوری مشهور است، می‌تواند الکترون‌ها را به نانوذرات پلاتین منتقل کرده و به تولید گاز هیدروژن که منبع انرژی پاک و با ارزش است، کمک می‌کند.
بصری‌سازی ساختار بیوهیبریدی
تیم تحقیق با استفاده از میکروسکوپ الکترونی برودتی (cryo-EM) به اولین بصری‌سازی با وضوح بالا از این ساختار بیوهیبریدی دست یافتند.
لیزا یوچسیگ، شیمیدان آزمایشگاه آرگون که نقش محوری در این پروژه داشته است، گفت: «واقعاً هیجان‌انگیز است که اکنون به‌طور مستقیم به سیستمی نگاه می‌کنیم که 13 سال روی آن کار کرده‌ایم.»
این تحلیل ساختاری دقیق، محل و پیکربندی دقیق نانوذرات پلاتین متصل شده به PSI را نشان داد.
محققان در یک بیانیه مطبوعاتی ذکر کردند: «اگرچه چندین مطالعه به ویژگی‌های کاتالیست‌های بیوهیبریدی PSI پرداخته‌اند، محققان نمی‌دانستند که نانوذرات پلاتین به کجا به پروتئین متصل می‌شوند.»
محل‌های اتصال غیرمنتظره
بر خلاف فرضیات قبلی، در تحقیق جدید نانوذرات پلاتین مشاهده شد که در دو محل مجزا بر روی کمپلکس PSI متصل می‌شوند.
یوچسیگ تاکید کرد: «فرض کردیم که نانوذرات در جایی متصل می‌شوند که شریک‌های انتقال الکترون PSI متصل می‌شوند.»
«اما ساختار نشان می‌دهد که واقعاً دو محل وجود دارد. و این بسیار شگفت‌انگیز بود.»
این کشف غیرمنتظره بینش‌های حیاتی در مکانیزم تولید هیدروژن ارائه می‌دهد و پایه‌ای برای بهینه‌سازی عملکرد کاتالیست فراهم می‌کند.
بینش‌های ساختاری به‌دست‌آمده از این مطالعه برای راهنمایی تلاش‌های آینده به‌منظور بهبود کارآیی این کاتالیست بیوهیبریدی امیدبخش مؤثر خواهد بود.
معنای آن برای تحقیقات آینده
با این اطلاعات جامع ساختاری، محققان می‌توانند به‌صورت سیستماتیک به مهندسی بیوهیبرید بپردازند.
یوچسیگ بیان کرد: «دیدن بیوانرژی در مقیاس مولکولی و دیدن چگونگی همکاری یک ذره مصنوعی و یک پروتئین طبیعی برای ایجاد انرژی فوق‌العاده است.»
با تغییر دادن خصوصیات پروتئین PSI و تنظیم ویژگی‌های نانوذرات پلاتین، آنها هدف دارند تعامل این اجزا را بهینه کرده و تولید هیدروژن را به حداکثر برسانند.
این تحقیق نمایانگر گامی حیاتی به سوی بهره‌برداری از قدرت فتوسنتز برای کاربردهای انرژی پاک است.
در بیانیه مطبوعاتی نتیجه‌گیری شد: «با اطلاعات ساختاری در دست، این پیشرفت درهای جدیدی را برای محققان جهت توسعه سامانه‌های سوخت خورشیدی بیوهیبریدی با عملکرد بهتر باز می‌کند که می‌تواند جایگزین پایداری برای منابع انرژی سنتی باشد.»
توسعه کاتالیست‌های بیوهیبریدی کارآمد نویدهای فراوانی برای ایجاد آینده‌ای انرژی پایدار و کاهش تأثیرات زیست‌محیطی منابع انرژی سنتی دارد.
