Mientras el mundo lucha por satisfacer la creciente demanda de energía, junto con los niveles crecientes de CO ₂ en la atmósfera por la deforestación y el uso de combustibles fósiles, la fotosíntesis en la naturaleza simplemente no puede seguir el ritmo del ciclo del carbono. Pero, ¿y si pudiéramos ayudar al ciclo natural del carbono aprendiendo de la fotosíntesis para generar nuestras propias fuentes de energía que no generaron CO? ₂ ? La fotosíntesis artificial hace precisamente eso, aprovecha la energía del sol para generar combustible de manera que se minimice el CO ₂ producción.

En un artículo reciente publicado en Revista de la Sociedad Química Estadounidense ( JACS ), un equipo de investigadores dirigido por Hao Yan, Yan Liu y Neal Woodbury de la Facultad de Ciencias Moleculares y Centro de Biodiseño para Diseño Molecular y Biomimética de la Universidad Estatal de Arizona informan un progreso significativo en la optimización de sistemas que imitan la primera etapa de la fotosíntesis, capturar y aprovechar la energía luminosa del sol.

Recordando lo que aprendimos en la clase de biología, el primer paso de la fotosíntesis en una hoja de una planta es la captura de energía luminosa por las moléculas de clorofila. El siguiente paso es transferir de manera eficiente esa energía luminosa a la parte del centro de reacción fotosintética donde tiene lugar la química impulsada por la luz. Este proceso, llamada transferencia de energía, ocurre de manera eficiente en la fotosíntesis natural en el complejo de antenas. Como la antena de una radio o una televisión, El trabajo del complejo de antenas fotosintéticas es reunir la energía luminosa absorbida y canalizarla al lugar correcto. ¿Cómo podemos construir nuestros propios "complejos de antenas de transferencia de energía"? es decir., estructuras artificiales que absorben la energía de la luz y la transfieren a distancia hasta donde se puede utilizar?

"La fotosíntesis ha dominado el arte de recolectar energía de la luz y moverla a distancias sustanciales hasta el lugar correcto para que tenga lugar la química impulsada por la luz. El problema con los complejos naturales es que son difíciles de reproducir desde una perspectiva de diseño; podemos usar ellos como son, pero queremos crear sistemas que sirvan a nuestros propios propósitos, ", dijo Woodbury." Al utilizar algunos de los mismos trucos que la naturaleza, pero en el contexto de una estructura de ADN que podemos diseñar con precisión, superamos esta limitación, y permitir la creación de sistemas de captación de luz que transfieran eficientemente la energía de la luz donde queramos ".

El laboratorio de Yan ha desarrollado una forma de utilizar el ADN para autoensamblar estructuras que pueden servir como plantillas para ensamblar complejos moleculares con un control casi ilimitado sobre el tamaño. forma y función. Usando arquitecturas de ADN como plantilla, Los investigadores pudieron agregar moléculas de tinte en estructuras que capturaron y transfirieron energía en decenas de nanómetros con una pérdida de eficiencia de <1% por nanómetro. De esta manera, los agregados de tinte imitan la función del complejo de antenas a base de clorofila en la fotosíntesis natural al transferir eficientemente la energía luminosa a largas distancias desde el lugar donde se absorbe y el lugar donde se utilizará.

Para estudiar más a fondo los complejos de captación de luz biomiméticos basados ​​en nanoestructuras de ADN-colorante autoensambladas, Yan Woodbury y Lin han recibido una subvención del Departamento de Energía (DOE). En trabajos anteriores financiados por el DOE, Yan y su equipo demostraron la utilidad del ADN para servir como plantilla programable para agregar tintes. Para aprovechar estos hallazgos, Utilizarán los principios fotónicos que subyacen a los complejos de captación de luz natural para construir estructuras programables basadas en el autoensamblaje del ADN. que proporciona la plataforma flexible necesaria para el diseño y desarrollo de sistemas fotónicos moleculares complejos.

"Es genial ver que el ADN se puede programar como una plantilla de andamio para imitar las antenas recolectoras de luz de la naturaleza para transferir energía a esta larga distancia, ", dijo Yan." Esta es una gran demostración de los resultados de la investigación de un equipo altamente interdisciplinario ".

Los resultados potenciales de esta investigación podrían revelar nuevas formas de capturar energía y transferirla a distancias más largas sin pérdida neta. Sucesivamente, el impacto de esta investigación podría abrir el camino en el diseño de sistemas de conversión de energía más eficientes que reducirán nuestra dependencia de los combustibles fósiles.

"Me encantó participar en esta investigación y poder aprovechar un trabajo a largo plazo que se remonta a algunas colaboraciones muy fructíferas con científicos e ingenieros de Eastman Kodak y la Universidad de Rochester, "dijo David G. Whitten de la Universidad de Nuevo México, Departamento de Ingeniería Química y Biológica. "Esta investigación incluyó el uso de sus cianinas para formar conjuntos agregados donde se produce la transferencia de energía de largo alcance entre un agregado de cianina donante y un aceptor".

El trabajo reportado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense fue realizada por los estudiantes de ASU Xu Zhou y Sarthak Mandal, ahora del Instituto Nacional de Tecnología en Tiruchirappalli, India, y Su Lin del Centro de Innovaciones en Medicina del Instituto Biodesign, y el alumno de Whitten, Jianzhong Yang, en colaboración con Yan y Woodbury.