Превратить воду в водородное топливо
Ученые адаптируют природную мембрану для производства водородного топлива из воды
© Olivia Johnson and Lisa Utschig
Путь химической реакции, имеющий ключевое значение для биологии растений, был адаптирован для формирования основы нового процесса, который превращает воду в водородное топливо, используя энергию солнца.
В недавнем исследовании, проведенном в Аргоннской национальной лаборатории, ученые объединили два мембраносвязанных белковых комплекса для полного превращения молекул воды в водород и кислород.
Работа основана на более раннем исследовании, в котором рассматривался один из этих белковых комплексов, называемый Фотосистемой I, мембранный белок, который может использовать энергию света для подачи электронов к неорганическому катализатору, вырабатывающему водород. Эта часть реакции, однако, представляет собой только половину всего процесса, необходимого для генерации водорода.
Используя второй белковый комплекс, который использует энергию света для расщепления воды и извлечения из нее электронов, называемый Фотосистемой II, аргоннский химик Лиза Утшиг и ее коллеги смогли взять электроны из воды и подать их в Фотосистему I.
«Прелесть этой конструкции (так называемая Z-схема) в ее простоте — вы можете самостоятельно собрать катализатор с натуральной мембраной, чтобы сделать химию, которую вы хотите», — сказала Лиза Утшиг.
В более раннем эксперименте исследователи предоставили фотосистеме I электроны от специального донора электронов. «Хитрость заключалась в том, как быстро доставить два электрона к катализатору», — говорит Лиза Утшиг.
Два белковых комплекса встроены в тилакоидные мембраны, как те, что находятся внутри хлоропластов, создающих кислород в высших растениях. «Мембрана, которую мы взяли непосредственно у природы, необходима для сопряжения двух фотосистем», — сказала Утшиг. «Она структурно поддерживает их обоих одновременно и обеспечивает прямой путь для межбелкового электронного переноса, но не препятствует связыванию катализатора с Фотосистемой I.»
Следующий шаг для исследования включает в себя включение мембранной Z-схемы в живую систему. «Как только у нас будет система in vivo, в которой процесс происходит в живом организме, мы действительно сможем увидеть, как все происходит с точки зрения производства водорода», — сказала Лиза Утшиг.
Lisa M. Utschig et al, Z-scheme solar water splitting via self-assembly of photosystem I-catalyst hybrids in thylakoid membranes, Chemical Science (2018). DOI: 10.1039/c8sc02841a