DNA a doppio filamento come stampo per guidare l'autoassemblaggio del colorante cianinato che forma aggregati di coloranti fortemente accoppiati. Questi aggregati coloranti basati su DNA fungono da "fili di eccitoni" per facilitare la direzione, efficiente trasferimento di energia su distanze fino a 32 nm. Credito:Neal Woodbury e Hao Yan
Mentre il mondo lotta per soddisfare la crescente domanda di energia, insieme ai crescenti livelli di CO 2 nell'atmosfera dalla deforestazione e dall'uso di combustibili fossili, la fotosintesi in natura semplicemente non può tenere il passo con il ciclo del carbonio. Ma cosa accadrebbe se potessimo aiutare il ciclo naturale del carbonio imparando dalla fotosintesi a generare le nostre fonti di energia che non generano CO 2 ? La fotosintesi artificiale fa proprio questo, sfrutta l'energia del sole per generare carburante in modo da ridurre al minimo la CO 2 produzione.
In un recente articolo pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana ( JACS ), un team di ricercatori guidati da Hao Yan, Yan Liu e Neal Woodbury della School of Molecular Sciences and Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics dell'Arizona State University riferiscono progressi significativi nell'ottimizzazione dei sistemi che imitano la prima fase della fotosintesi, catturare e sfruttare l'energia luminosa del sole.
Ricordando ciò che abbiamo imparato a lezione di biologia, il primo passo nella fotosintesi in una foglia di pianta è la cattura dell'energia luminosa da parte delle molecole di clorofilla. Il prossimo passo è trasferire in modo efficiente quell'energia luminosa alla parte del centro di reazione fotosintetica dove avviene la chimica alimentata dalla luce. Questo processo, chiamato trasferimento di energia, avviene in modo efficiente nella fotosintesi naturale nel complesso dell'antenna. Come l'antenna di una radio o di un televisore, il compito del complesso di antenne fotosintetiche è quello di raccogliere l'energia luminosa assorbita e convogliarla nel posto giusto. Come possiamo costruire i nostri "complessi di antenne per il trasferimento di energia", cioè., strutture artificiali che assorbono l'energia luminosa e la trasferiscono a distanza dove può essere utilizzata?
"La fotosintesi ha padroneggiato l'arte di raccogliere l'energia luminosa e spostarla su distanze considerevoli nel posto giusto per far avvenire la chimica guidata dalla luce. Il problema con i complessi naturali è che sono difficili da riprodurre dal punto di vista del design; possiamo usare loro come sono, ma vogliamo creare sistemi che servano ai nostri scopi, " disse Woodbury. "Utilizzando alcuni degli stessi trucchi della Natura, ma nel contesto di una struttura del DNA che possiamo progettare con precisione, superiamo questo limite, e consentire la creazione di sistemi di raccolta della luce che trasferiscano in modo efficiente l'energia della luce se lo vogliamo".
Il laboratorio di Yan ha sviluppato un modo per utilizzare il DNA per autoassemblare strutture che possono fungere da modelli per l'assemblaggio di complessi molecolari con un controllo quasi illimitato sulle dimensioni, forma e funzione. Utilizzando le architetture del DNA come modello, i ricercatori sono stati in grado di aggregare molecole di colorante in strutture che catturano e trasferiscono energia su decine di nanometri con una perdita di efficienza di <1% per nanometro. In questo modo gli aggregati di colorante imitano la funzione del complesso antenna a base di clorofilla nella fotosintesi naturale trasferendo efficacemente l'energia luminosa su lunghe distanze dal luogo in cui viene assorbita e dal luogo in cui verrà utilizzata.
Per studiare ulteriormente i complessi biomimetici di raccolta della luce basati su nanostrutture di DNA colorante autoassemblate, Yan, Woodbury e Lin hanno ricevuto una sovvenzione dal Dipartimento dell'Energia (DOE). In precedenti lavori finanziati dal DOE, Yan e il suo team hanno dimostrato l'utilità del DNA come modello programmabile per l'aggregazione dei coloranti. Per basarsi su questi risultati, useranno i principi fotonici che sono alla base dei complessi di raccolta della luce naturale per costruire strutture programmabili basate sull'autoassemblaggio del DNA, che fornisce la piattaforma flessibile necessaria per la progettazione e lo sviluppo di complessi sistemi fotonici molecolari.
"È fantastico vedere che il DNA può essere programmato come un modello di impalcatura per imitare le antenne di raccolta della luce della Natura per trasferire energia su questa lunga distanza, " ha detto Yan. "Questa è una grande dimostrazione dei risultati della ricerca di un team altamente interdisciplinare".
I potenziali risultati di questa ricerca potrebbero rivelare nuovi modi di catturare energia e trasferirla su distanze più lunghe senza perdite nette. A sua volta, l'impatto di questa ricerca potrebbe aprire la strada alla progettazione di sistemi di conversione dell'energia più efficienti che ridurranno la nostra dipendenza dai combustibili fossili.
"Sono stato felice di partecipare a questa ricerca e di essere in grado di costruire su un lavoro a lungo termine esteso ad alcune collaborazioni molto fruttuose con scienziati e ingegneri presso Eastman Kodak e l'Università di Rochester, " ha detto David G. Whitten dell'Università del New Mexico, Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica. "Questa ricerca includeva l'uso delle loro cianine per formare assemblaggi aggregati in cui si verifica il trasferimento di energia a lungo raggio tra un aggregato di cianina donatore e un accettore".
Il lavoro riportato in Giornale della Società Chimica Americana è stata eseguita dagli studenti dell'ASU Xu Zhou e Sarthak Mandal, ora dell'Istituto Nazionale di Tecnologia di Tiruchirappalli, India, e Su Lin del Center for Innovations in Medicine presso il Biodesign Institute, e lo studente di Whitten Jianzhong Yang in collaborazione con Yan e Woodbury.
