Un team di ricercatori con sede negli Stati Uniti, tra cui scienziati del MIPT, ha assemblato una struttura biologica su nanoscala in grado di produrre idrogeno dall'acqua utilizzando la luce. Hanno inserito una proteina fotosensibile in nanodischi, frammenti circolari di membrana cellulare composti da un doppio strato lipidico, e hanno migliorato la struttura risultante con particelle di biossido di titanio, un fotocatalizzatore. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista ACS Nano .

Professor Vladimir Chupin, che dirige il Laboratorio di Chimica e Fisica dei Lipidi presso il Centro di Ricerca sui Meccanismi Molecolari dell'Invecchiamento e delle Malattie dell'Età del MIPT, dice, "I nostri laboratori che lavorano con proteine ​​di membrana, in particolare con i nanodischi, si concentrano principalmente su questioni biofisiche e mediche. Però, il recente studio congiunto con i nostri colleghi statunitensi mostra che unendo materiali biologici e tecnici, i nanodischi possono essere utilizzati per ottenere combustibile a idrogeno".

Combustibile a idrogeno

L'idrogeno è una delle fonti energetiche alternative più pulite. Quando brucia, l'unico prodotto che si forma è il vapore acqueo. Per di più, al 45 percento o più, l'efficienza del carburante a idrogeno è molto maggiore rispetto a meno del 35 percento della benzina o del gasolio. Sebbene le principali case automobilistiche, come Toyota, Honda, e BMW, stanno già producendo auto a idrogeno, il loro numero è modesto. L'idrogeno è ancora costoso da ottenere, in gran parte a causa dell'elevato consumo di energia coinvolto. Per questa ragione, i ricercatori stanno cercando modi per generare questo carburante attingendo ad altre fonti di energia.

L'idrogeno può essere prodotto dall'acqua utilizzando l'energia solare. Il processo richiede composti speciali chiamati fotocatalizzatori. Il biossido di titanio è uno dei più utilizzati. Non è certo il fotocatalizzatore più efficace, anche se, quindi i ricercatori fanno di tutto per aumentare le sue prestazioni riducendolo a dimensioni nanometriche o aggiungendo impurità. A quello scopo, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory in Illinois, NOI., si sono rivolti alla biologia, assemblando una nanostruttura fatta di biossido di titanio e una proteina di membrana chiamata batteriorodopsina. Migliorando le reciproche prestazioni, questi due componenti fotosensibili formano un nuovo sistema le cui capacità superano di gran lunga quelle delle sue parti costituenti.

La batteriorodopsina è una proteina fotosensibile che fa parte delle membrane di alcune cellule microbiche. Infatti, ci sono alcune di queste proteine, ma quello utilizzato in questo studio è stato preso da Halobacterium salinarum. Un'estremità della proteina sporge all'esterno di una cellula, mentre l'altra estremità è all'interno. La luce solare fa sì che la batteriorodopsina pompi protoni fuori dalla cellula, che consente alla cellula di sintetizzare energia sotto forma di adenosina trifosfato. per inciso, il corpo umano produce un totale di circa 70 chilogrammi di ATP ogni giorno.

I ricercatori possono ora sintetizzare la vita artificialmente, senza cellule biologiche coinvolte. Così, le proteine ​​di membrana funzionali possono essere ottenute utilizzando mezzi che imitano l'ambiente naturale delle proteine. Tra questi mezzi a disposizione degli scienziati ci sono i nanodischi, frammenti di membrana costituiti da fosfolipidi e circondati da due molecole proteiche in una formazione a doppia cintura. La dimensione di un nanodisco dipende dalla lunghezza delle due proteine ​​a forma di cintura. Essendo una proteina di membrana, la batteriorodopsina appartiene a una membrana cellulare e quindi è abbastanza a suo agio in un nanodisco, che è una struttura straordinaria progettata per preservare la struttura proteica naturale. I nanodischi sono stati utilizzati per studiare le strutture delle proteine ​​di membrana, sviluppare agenti medici, e ora vengono riproposti per la fotocatalisi. Con l'assistenza di scienziati dei materiali del MIPT, i ricercatori hanno ottenuto nanodischi di 10 nanometri di diametro, con batteriorodopsina annidata all'interno.

Sono finiti con l'idrogeno

Il team ha sciolto i nanodischi in acqua, insieme a particelle di biossido di titanio. Hanno aggiunto il platino, perché rende più efficace la fotocatalisi. Lasciato durante la notte in quella miscela, i nanodischi si sono attaccati alle particelle catalitiche. La batteriorodopsina, la pompa protonica, fungeva anche da antenna. Catturava la luce e trasferiva la sua energia al biossido di titanio, aumentando la sua sensibilità alla luce. Inoltre, la batteriorodopsina svolgeva la sua consueta funzione di traslocazione dei protoni, che sono stati ridotti, cedendo idrogeno grazie alla presenza del catalizzatore al platino. Perché ci vogliono gli elettroni per ridurre i protoni, i ricercatori hanno aggiunto del metanolo nella soluzione per fungere da donatore di elettroni. La miscela è stata esposta a luce verde e bianca, con circa 74 volte più idrogeno prodotto in quest'ultimo caso. In media, l'emissione di idrogeno è stata mantenuta ad una velocità pressoché costante per almeno due o tre ore.

Sebbene in passato siano stati condotti esperimenti con una nanostruttura simile, hanno usato batteriorodopsina in una membrana cellulare naturale. Sostituendolo con i nanodischi, i ricercatori hanno prodotto altrettanto idrogeno o più, e hanno anche richiesto meno batteriorodopsina per la stessa quantità di biossido di titanio. Il team sospetta che ciò possa essere attribuito alla capacità dei nanodischi compatti e uniformi di interfacciarsi in modo più uniforme con le particelle catalitiche. Sebbene la batteriorodopsina naturale rimanga l'opzione più economica, per adesso, è possibile che l'evoluzione dei metodi di biosintesi artificiale renderà presto i nanodischi un'alternativa più fattibile.