La bacteria del azufre verde tiene su hogar en las frías aguas del Mar Negro. Para sobrevivir a su solitaria existencia esta forma de vida recolecta energía de la débil luz solar disponible a una profundidad de más de 250 pies.

Las plantas realizan el mismo truco notable, recolectando energía radiante del sol y convirtiéndola en energía biológica esencial para el crecimiento. Este proceso, perfeccionado durante miles de millones de años, se conoce como fotosíntesis.

Ahora, Hao Yan y Neal Woodbury del Biodesign Institute de ASU y colegas de Harvard y MIT, explore nuevos métodos para sacar provecho de los secretos de recolección de luz de la naturaleza. Su nuevo estudio describe el diseño de un sistema sintético para la recolección de energía, conversión y transporte que puedan señalar el camino hacia las innovaciones en energía solar, ciencia de los Materiales, nanotecnología y fotónica.

"Este esfuerzo de colaboración de varios institutos demuestra un buen uso de la nanotecnología de ADN para controlar espacialmente y organizar cromóforos para futuras redes excitónicas, "Yan dijo

Movimientos de luz

En una investigación que aparece en la edición avanzada en línea de la revista. Materiales de la naturaleza , Se describe un sistema para el montaje programado de elementos captadores de luz o cromóforos. En sistemas naturales como plantas y bacterias fotosintéticas, la organización espacial de cromóforos densamente empaquetados es vital para la eficiencia, transferencia de energía dirigida. Dichos sistemas biológicos disponen los cromóforos de manera precisa en armazones rígidos compuestos de proteína.

Prácticamente toda la vida en la tierra depende directa o indirectamente de la fotosíntesis. Los organismos que lo utilizan transportan eficientemente la energía de la luz solar desde los receptores, que recogen fotones de la luz del sol, a los centros de reacción donde se puede aprovechar la energía, un rendimiento que fácilmente rivaliza con las células solares artificiales más eficientes.

Los esfuerzos para comprender los sistemas de captación de luz natural en las plantas y los microbios fotosintéticos se remontan al menos a un siglo. Aunque los fenómenos se han entendido en líneas generales, los detalles resultan ser complejos y los desafíos en la creación de análogos sintéticos han sido significativos.

Las plantas llevan a cabo la fotosíntesis convirtiendo los fotones de luz que inciden en sus cromóforos en otra forma de energía conocida como excitón. Un excitón es un estado energético de una molécula, o grupo de moléculas estrechamente acopladas después de que son excitadas por absorción de luz. Los excitones son valiosos tanto en la fotosíntesis natural como en los esfuerzos de investigación para duplicar el proceso, porque pueden transportar energía de una molécula a otra, energía que en última instancia se puede utilizar para impulsar el movimiento de electrones.

Se espera que la energía solar contribuya significativamente al suministro energético mundial durante el próximo siglo, a medida que la sociedad se aleja del uso de combustibles fósiles. Para lograr esto, los investigadores deben aprender a capturar, transferir y almacenar energía solar con la máxima eficiencia a un costo asequible.

Diseñando desde la naturaleza

En el estudio actual, Las moléculas de colorante que responden a rangos particulares de energía luminosa se utilizan como cromóforos sintéticos. Al usar el ADN como andamio, las posiciones relativas de las moléculas de tinte se pueden controlar con precisión, imitando mejor los sistemas naturales.

Este andamio de ADN puede autoensamblarse a partir de 6 tiras de ADN monocatenario cuyas propiedades de emparejamiento de bases hacen que forme la estructura deseada. La forma, que se ha convertido en un pilar en el campo de la nanotecnología del ADN, se conoce como mosaico de doble cruce o DX. (Ver Figura 1) Se usa comúnmente como un bloque de construcción básico para ensamblajes de ADN sintético programados.

El método descrito permite modelar la disposición óptima de cromóforos, produciendo un circuito de captación de luz que puede transportar eficientemente la energía de un fotón absorbido a lo largo de la arquitectura del ADN con una mínima pérdida de energía en el camino.

"La capacidad de modelar y construir circuitos moleculares para recolectar energía luminosa y moverla de manera controlada, abre la puerta para el diseño y desarrollo de una variedad de dispositivos a nanoescala que son alimentados y controlados por luz, "Dijo Woodbury.

El circuito sintético resultante permite que los espectros de absorción de los cromóforos se sintonicen sutilmente de una manera similar a los sistemas de captación de luz natural. Esto se puede lograr en parte controlando con precisión la orientación de las moléculas de tinte y su distancia entre sí.

Salto cuántico

Recientemente, Los investigadores han determinado que parte del éxito de los sistemas fotosintéticos naturales se debe a efectos físicos extravagantes que pertenecen al mundo cuántico. Resulta que en los organismos fotosintéticos que contienen múltiples cromóforos empaquetados muy juntos, la excitación de la luz se puede compartir entre moléculas. Esta característica, conocida como coherencia cuántica, puede mejorar significativamente la eficiencia de la transferencia de energía. Es una de las razones por las que las plantas y las bacterias fotosintéticas son tan buenas en eso.

La eficacia de los sistemas biológicos y las nanomáquinas para capturar luz y transportar energía se debe a la arquitectura a nanoescala altamente ordenada de las moléculas fotoactivas. En las últimas decádas, el uso de ADN como plantilla para la disposición de elementos funcionales como tintes orgánicos en matrices precisas ha experimentado un rápido avance.

En el estudio actual, Se aprovecharon las propiedades de autoensamblaje del ADN y los cromóforos para determinar con precisión las ubicaciones de los conjuntos de cromóforos agregados J en la placa DX. Estos conjuntos cromóforos agregados en J tienen características de captación de luz similares a las antenas de captación de luz natural utilizadas por las bacterias fotosintéticas púrpuras.

El primer paso fue identificar el rango de tamaño de los agregados de colorante cromóforo que podrían autoensamblarse con éxito en una longitud de ADN de doble hebra. conservando al mismo tiempo propiedades de transferencia de energía eficientes. El modelado determinó que la longitud mínima de ADN necesaria para acomodar un agregado J estable de cromóforos era de 8 pares de bases.

Próximo, se diseñó un circuito compuesto por cuatro agregados cromóforos dispuestos en la loseta basada en DX, modelado y optimizado, utilizando principios de dinámica cuántica para guiar el ensamblaje racional de múltiples agregados de tinte discretos dentro de un mosaico DX de ADN. Los agregados de cromóforos se exploraron computacionalmente para identificar diseños de secuencias que muestran propiedades de transporte rápido de excitones.

A continuación, se sintetizó el diseño de circuito óptimo y se utilizaron métodos sofisticados de espectroscopía de fluorescencia para caracterizar con precisión los resultados. Investigaciones posteriores intentaron caracterizar con precisión la organización molecular de los cromóforos dentro de un solo agregado J.

Los investigadores estimaron que un agregado de 6 moléculas de colorante se ensamblaría por cada segmento de ADN de 8 pares de bases, un resultado, que se alineó bien con estimaciones anteriores de 8-12 moléculas de colorante para cada vuelta de la escalera de doble hélice del ADN. Se determinó una distancia de separación de 2 pares de bases para proporcionar el mejor acoplamiento excitónico entre agregados de cromóforos adyacentes. El circuito resultante mostró propiedades de transporte de energía consistentes con las predicciones del modelado.

Luz del futuro

El éxito es otra demostración del poder y la versatilidad de un enfoque ascendente para el ensamblaje de arquitecturas a nanoescala. Específicamente, el diseño de circuitos excitónicos como el descrito podría conducir a nuevas aplicaciones más allá de la tecnología de captación de luz, incluidas las innovaciones en tecnología de la información y las comunicaciones, y avances en campos que van desde el medio ambiente, transporte, cuidado de la salud, fabricación y energía.