نسل جدید کاتالیزور های سوخت خورشیدی مصنوعی

به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، تیمی از شیمیدانان تحت رهبری ییل از طرح های اولیه یک آنزیم کلیدی که ممکن است حاوی اصول طراحی نسل جدیدی از کاتالیزور های سوخت خورشیدی مصنوعی باشد، پرده برداری کرده اند.

این تحقیق که توسط گری برودویگ و کریستوفر گیسریل از دانشگاه ییل انجام شد. از میکروسکوپ الکتروالکترونی بر روی میکروارگانیسمی به نام Synechocystis استفاده کرد. تا تصویری بسیار نزدیک از Photosystem II، آنزیمی در فتوسنتز که از آب به عنوان سوخت خورشیدی استفاده می کند، به دست آورد.
این روش محققان را قادر می سازد تا نحوه عملکرد آنزیم را مشاهده کنند.

این مطالعه که در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است. توسط محققان دانشگاه کالیفرنیا-ریورساید، کالج بوستون و دانشگاه سیتی نیویورک انجام شده است.

فتوسنتز مکانیسمی است که بوسیله آن گیاهان و میکروارگانیسم های خاصی مانند Synechocystis از نور خورشید برای سنتز غذا از دی اکسید کربن و آب استفاده می کنند. و جو را با اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی پر می کنند. در قلب فتوسنتز، Photosystem II، آنزیمی است که مولکول‌های آب را اکسید می‌کند. و الکترون‌های آن‌ها را می‌گیرد تا از آنها به عنوان سوخت استفاده شود.

دانشمندان مدت‌هاست که با مطالعه Photosystem II از Synechocystis، به دنبال راه‌هایی برای تقلید از این فرآیند برای ایجاد کاتالیزور های سوخت خورشیدی کارآمدتر بوده‌اند. اما بدون تصویر واضحی از ساختار مولکولی Photosystem II در Synechocystis، درک نتایج آزمایش‌های دانشمندان برای دانشمندان چالش برانگیز بوده است.

کار قبلی به رهبری Yale یک عکس فوری از Photosytem II از Synechocystis در مرحله “نابالغ” ایجاد کرد. قبل از اینکه آنزیم قادر به اکسیداسیون آب باشد. این کار به محققان اجازه داد تا درک بهتری از نحوه ساخت آنزیم برای کاتالیزور داشته باشند.

یافته های جدید

در مطالعه جدید، محققان توانستند آنزیم Synechocystis را به شکل بالغ و فعال آن، با تمام زیرواحدهای پروتئینی و فعالیتی که در طول اکسیداسیون آب وجود دارد، ببینند. این مشاهدات که توسط فناوری میکروسکوپ کرایو الکترونی در پردیس غربی Yale امکان‌پذیر شد. یکی از نزدیک‌ترین و دقیق‌ترین نگاه‌هایی را که تاکنون برای Photosystem II در Synechocystis انجام شده است، ارائه می‌کند.

برودویگ، پروفسور بنجامین سیلیمن، یکی از اساتید شیمی از موسسه علوم انرژی در پردیس غربی میگوید: «در این وضوح، ما می‌توانیم اسیدهای آمینه، کوفاکتورهای مولکولی کوچک و مولکول‌های آب را ببینیم که در مکانیسم اکسیداسیون آب استفاده می‌شوند. .

برودویگ افزود: «در برخی موارد، ما حتی می‌توانیم سهم تک تک پروتون‌ها را ببینیم.»

با این نمای جدید و نزدیک از Photosystem II از Synechocystis، محققان می‌گویند که می‌توانند تغییرات کوچکی را در آنزیم ایجاد کنند .( مانند جهش اسیدهای آمینه فردی ) تا ببینند این تغییرات چگونه بر عملکرد آنزیم تأثیر می‌گذارد.

گیسریل، دانشیار فوق دکتری در شیمی و نویسنده اول این مطالعه، میگوید : “هدف اصلی درک شیمی اکسیداسیون آب است.” کاری که ما در اینجا انجام داده‌ایم بستری را فراهم می‌کند که از طریق آن می‌توانیم سیستم را تجزیه کنیم و اصول طراحی کاتالیزور های سوخت خورشیدی مصنوعی را ارائه کنیم.»

منبع:“High-resolution cryo-electron microscopy structure of photosystem II from the mesophilic cyanobacterium, Synechocystis sp. PCC 6803″ by Christopher J. Gisriel, Jimin Wang, Jinchan Liu, David A. Flesher, Krystle M. Reiss, Hao-Li Huang, Ke R. Yang, William H. Armstrong, M. R. Gunner, Victor S. Batista, Richard J. Debus and Gary W. Brudvig, 22 December 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2116765118