Il batterio dello zolfo verde fa la sua casa nelle fredde acque del Mar Nero. Per tirare fuori la sua esistenza solitaria, questa forma di vita assorbe energia dalla debole luce solare a sua disposizione a una profondità di oltre 250 piedi.

Le piante eseguono lo stesso straordinario trucco, raccogliere energia radiante dal sole e convertirla in energia biologica essenziale per la crescita. Questo processo, perfezionato nel corso di miliardi di anni, è noto come fotosintesi.

Ora, Hao Yan e Neal Woodbury del Biodesign Institute dell'ASU e colleghi di Harvard e del MIT, esplora nuovi metodi per sfruttare i segreti della natura che raccolgono la luce. Il loro nuovo studio delinea la progettazione di un sistema sintetico per la raccolta di energia, conversione e trasporti che possono indicare la strada per innovazioni nel campo dell'energia solare, scienza dei materiali, nanotecnologie e fotonica.

"Questo sforzo collaborativo multi-istituto dimostra un buon uso della nanotecnologia del DNA per controllare e organizzare spazialmente i cromofori per le future reti eccitoniche, " Yan ha detto

Mosse leggere

Nella ricerca che appare nel numero online avanzato della rivista Materiali della natura , viene descritto un sistema per l'assemblaggio programmato di elementi raccoglitori di luce o cromofori. Nei sistemi naturali come piante e batteri fotosintetici, l'organizzazione spaziale dei cromofori densamente ammassati è vitale per un'efficiente, trasferimento di energia diretto. Tali sistemi biologici dispongono i cromofori in maniera precisa su scaffold rigidi composti da proteine.

Praticamente tutta la vita sulla terra si basa direttamente o indirettamente sulla fotosintesi. Gli organismi che lo utilizzano trasportano in modo efficiente l'energia della luce solare dai recettori, che raccolgono fotoni dalla luce solare, a centri di reazione in cui l'energia può essere sfruttata, una prestazione che rivaleggia facilmente con le celle solari artificiali più efficienti.

Gli sforzi per comprendere i sistemi di raccolta della luce naturale nelle piante e nei microbi fotosintetici risalgono ad almeno un secolo. Sebbene i fenomeni siano stati intesi a grandi linee, i dettagli si sono rivelati complessi e le sfide nella creazione di analoghi sintetici sono state significative.

Le piante effettuano la fotosintesi convertendo i fotoni di luce che colpiscono i loro cromofori in un'altra forma di energia nota come eccitone. Un eccitone è uno stato energetico di una molecola, o un gruppo di molecole strettamente accoppiate dopo essere state eccitate dall'assorbimento della luce. Gli eccitoni sono preziosi sia nella fotosintesi naturale che negli sforzi di ricerca per duplicare il processo, perché possono trasportare energia da una molecola all'altra, energia che alla fine può essere utilizzata per alimentare il movimento degli elettroni.

Si prevede che l'energia solare contribuirà in modo significativo all'approvvigionamento energetico globale nel prossimo secolo, mentre la società si allontana dall'uso dei combustibili fossili. Per realizzare questo, i ricercatori devono imparare a catturare, trasferire e immagazzinare l'energia solare con la massima efficienza a costi contenuti.

Progettare dalla natura

Nello studio attuale, molecole di colorante che rispondono a particolari intervalli di energia luminosa vengono utilizzate come cromofori sintetici. Usando il DNA come impalcatura, le posizioni relative delle molecole di colorante possono essere controllate con precisione, imitando meglio i sistemi naturali.

Questa impalcatura del DNA può autoassemblarsi da 6 strisce di DNA a singolo filamento le cui proprietà di accoppiamento delle basi lo fanno formare la struttura desiderata. Il modulo, che è diventato un pilastro nel campo della nanotecnologia del DNA, è noto come doppio crossover o DX-tile. (Vedi Figura 1) È comunemente usato come elemento costitutivo di base per assemblaggi programmati di DNA sintetico.

Il metodo delineato consente di modellare la disposizione ottimale dei cromofori, producendo un circuito di raccolta della luce in grado di trasportare in modo efficiente l'energia di un fotone assorbito a distanza lungo l'architettura del DNA con una minima perdita di energia lungo il percorso.

"La capacità di modellare e costruire circuiti molecolari per raccogliere energia luminosa e spostarla in modo controllato, apre le porte alla progettazione e allo sviluppo di una varietà di dispositivi su nanoscala alimentati e controllati dalla luce, "Ha detto Woodbury.

Il circuito sintetico risultante consente di regolare gli spettri di assorbimento dei cromofori in modo simile ai sistemi naturali di raccolta della luce. Ciò può essere ottenuto in parte controllando con precisione l'orientamento delle molecole di colorante e la loro distanza l'una dall'altra.

Salto Quantico

Recentemente, i ricercatori hanno determinato che parte del successo dei sistemi fotosintetici naturali è dovuto a bizzarri effetti fisici appartenenti al mondo quantistico. Si scopre che negli organismi fotosintetici contenenti più cromofori strettamente impacchettati insieme, l'eccitazione della luce può essere condivisa tra le molecole. Questa caratteristica, nota come coerenza quantistica, può migliorare significativamente l'efficienza del trasferimento di energia. È uno dei motivi per cui le piante e i batteri fotosintetici sono così bravi.

L'efficacia dei sistemi biologici e delle nanomacchine nel catturare la luce e nel trasportare l'energia è dovuta all'architettura su nanoscala altamente ordinata delle molecole fotoattive. Negli ultimi decenni, l'uso del DNA come stampo per la disposizione di elementi funzionali come i coloranti organici in matrici precise ha subito rapidi progressi.

Nello studio attuale, le proprietà autoassemblanti del DNA e dei cromofori sono state sfruttate per determinare con precisione le posizioni degli assemblaggi dei cromofori dell'aggregato J sulla piastrella DX. Questi complessi cromofori aggregati J hanno caratteristiche di raccolta della luce simili alle antenne naturali per la raccolta della luce utilizzate dai batteri fotosintetici viola.

Il primo passo è stato identificare la gamma di dimensioni degli aggregati di coloranti cromofori che potrebbero autoassemblarsi con successo su una lunghezza di DNA a doppio filamento, pur mantenendo proprietà efficienti di trasferimento di energia. La modellazione ha determinato che la lunghezza minima del DNA necessaria per accogliere un aggregato J stabile di cromofori era di 8 paia di basi.

Prossimo, è stato progettato un circuito composto da quattro aggregati cromofori disposti sulla piastrella a base DX, modellato, e ottimizzato, utilizzando i principi della dinamica quantistica per guidare l'assemblaggio razionale di più aggregati di coloranti discreti all'interno di una tessera DX di DNA. Gli aggregati di cromofori sono stati esplorati computazionalmente per identificare i progetti di sequenza che mostrano proprietà di trasporto rapido degli eccitoni.

È stato quindi sintetizzato il design ottimale del circuito e sono stati utilizzati metodi sofisticati di spettroscopia a fluorescenza per caratterizzare accuratamente i risultati. Ulteriori indagini hanno tentato di caratterizzare con precisione l'organizzazione molecolare dei cromofori all'interno di un singolo aggregato J.

I ricercatori hanno stimato che un aggregato di 6 molecole di colorante si sarebbe assemblato per segmento di 8 coppie di basi di DNA, un risultato, che si allineava bene con le stime precedenti di 8-12 molecole di colorante per ogni giro della scala a doppia elica del DNA. È stata determinata una distanza di separazione di 2 paia di basi per fornire il miglior accoppiamento eccitonico tra aggregati cromofori adiacenti. Il circuito risultante mostrava proprietà di trasporto di energia coerenti con le previsioni di modellazione.

Luce del futuro

Il successo è un'altra dimostrazione della potenza e della versatilità di un approccio dal basso verso l'alto all'assemblaggio di architetture su nanoscala. Nello specifico, la progettazione di circuiti eccitonici come quello descritto potrebbe portare a nuove applicazioni oltre la tecnologia di raccolta della luce, comprese le innovazioni nelle tecnologie dell'informazione e della comunicazione, e progressi in campi che vanno dall'ambiente, trasporto, assistenza sanitaria, manifatturiero ed energetico.