Um futuro de energia limpa
A energia photo voltaic é uma importante fonte de energia limpa que pode ajudar a atender às crescentes demandas globais por energia. A pesquisa sobre energia photo voltaic envolve o desenvolvimento de novos materiais que possam capturar a luz photo voltaic de forma eficiente e convertê-la em um combustível armazenável para que a energia do sol possa ser usada quando necessário. Uma forma eficiente de armazenar a energia do Sol está nas ligações químicas de moléculas como o gás hidrogênio (H2). Ao contrário dos combustíveis fósseis baseados em carbono que produzem dióxido de carbono ambientalmente prejudicial (CO2),H2 é um combustível limpo porque, ao ser queimado para liberar a energia de sua ligação química, produz-se água.
Conversores de energia photo voltaic da natureza
Podemos aprender com a Natureza como fazer isso. A natureza usa proteínas especializadas chamadas Centros de Reação (RCs) para converter energia luminosa em energia química. Isto ocorre através de rápidas transferências sequenciais de elétrons induzidas pela luz entre cofatores ligados ao núcleo das proteínas RC, resultando na formação de um estado de carga separada de longa duração que pode ser utilizado para conduzir reações químicas. Os RCs são conversores de energia photo voltaic extremamente eficientes, produzindo quase um elétron para cada fóton absorvido. Até o momento, nenhum sistema fotossintético synthetic pode replicar as eficiências de separação de carga dos RCs da Natureza. Um tipo de RC, chamado Fotossistema I (PSI), gera um elétron que tem potencial eletroquímico suficiente para acionar H2 produção. Tudo o que é necessário é um catalisador para capturar os elétrons gerados pela luz do PSI.
Biohíbridos Fotossintéticos
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Figura 1. Esquema de um sistema biohíbrido Photosystem I-PtNP usado para geração de H acionada pela luz2. |
Para isso, estudamos os chamados biohíbridos: complexos entre proteínas e moléculas sintéticas. Os biohíbridos fotossintéticos combinam a função de um catalisador sintético com as capacidades otimizadas de captura e conversão de luz do PSI RC. A questão é como fazer um complexo proteína-catalisador de modo que ocorra uma transferência eficiente de elétrons entre eles? Ao longo dos anos, muitos tipos diferentes de biohíbridos PSI foram relatados, inspirando-nos a tentar fazer isso. Ao construir nosso biohíbrido, buscamos inspiração na Natureza. O PSI possui duas pequenas proteínas aceitadoras solúveis que transportam os elétrons gerados pelo PSI para outras vias metabólicas. A interação entre o PSI e essas proteínas aceitadoras é conduzida eletrostaticamente com as superfícies carregadas negativamente das proteínas ligando-se a um native de ancoragem carregado positivamente no PSI. Usando nanopartículas de platina (PtNPs, bom H2 catalisadores!) de tamanho semelhante às proteínas aceitadoras e revestidos com ligantes carregados negativamente, descobrimos que poderíamos facilmente ligar os PtNPs ao PSI. Estudos espectroscópicos de ressonância paramagnética eletrônica (EPR), que podem observar os spins de elétrons desemparelhados à medida que eles se movem através do RC após a excitação luminosa, mostraram transferência de elétrons muito eficiente do PSI para o PtNP no biohíbrido e confirmaram a localização dos PtNPs no aceitador last (lado estromal) do PSI. É importante ressaltar que observamos taxas muito altas de H2 produção para nosso biohíbrido PSI-PtNP montado eletrostaticamente em experimentos de fotocatálise. Assim, simplesmente usando a luz photo voltaic, a água e o biohíbrido (em quantidades muito pequenas, concentrações nanomolares), geramos o combustível photo voltaic H2!! Até o momento, este continua sendo um dos melhores H geradores de PSI.2 sistemas.
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Figura 2. A estrutura crio-EM de resolução international de 2,27 Å de um biohíbrido Photosystem I-PtNP. O PSI é um trímero. Para cada monômero PSI, as áreas elipsoidais cinza representam as localizações dos PtNPs. Cada monômero de PSI tem dois locais de ligação NP, rotulados A e B. As esferas brilhantes amarelas são o aglomerado terminal Fe-S do aceitador de elétrons de PSI, de onde procede o elétron gerado pela luz. |
Revelando a estrutura molecular de um biohíbrido fotossintético
Onde o PtNP se liga à proteína? Que interações o PtNP tem com a superfície da proteína? Como a interface PtNP-proteína medeia a transferência de elétrons? Abordamos essas questões usando microscopia crioeletrônica (crio-EM), uma técnica que usa um microscópio eletrônico de transmissão para gerar imagens de proteínas em temperaturas criogênicas. Nesta Comunicações da Natureza artigo, relatamos a estrutura crio-EM de resolução international de 2,27 Å do nosso biohíbrido PSI-PtNP. O mapa crio-EM revelou uma estrutura PSI trimérica consistente com a maioria das outras estruturas PSI de cianobactérias. Duas regiões do mapa elipsoidal de alto sinal foram identificadas por monômero PSI e atribuídas a sítios de ligação de PtNP. Isto foi uma surpresa! Sempre pensamos que apenas um PtNP se ligava a cada monômero PSI. Ambos os PtNPs se ligam ao lado estromal do PSI. Um dos locais PtNP está dentro de 14 Å do cofator aceitador de elétrons terminal do PSI, um aglomerado de ferro-enxofre. Acreditamos que este seja o native da fotocatálise. Este native se sobrepõe aos locais da proteína aceitadora nativa, embora o PtNP esteja em um native ligeiramente diferente. Além disso, fomos capazes de determinar as subunidades proteicas e resíduos de aminoácidos específicos que provavelmente interagem com os PtNPs.
Olhando para o futuro
Este primeiro olhar estrutural direto para uma interface proteína-nanomaterial é importante, pois revela características que podem ser exploradas experimentalmente e otimizadas para H movido a energia photo voltaic.2 produção. Por exemplo, agora sabemos onde alterar geneticamente os aminoácidos da proteína envolvidos na ligação do catalisador, tais como a mutação de aminoácidos individuais para sondar o seu papel específico nas interações do catalisador ou a adição de cadeias laterais carregadas positivamente para aumentar a especificidade da ligação. Por outro lado, podemos ajustar quimicamente o tamanho, a composição e a carga do NP para melhorar as interações proteína-catalisador e as eficiências catalíticas.
Concomitantemente, esperamos que esta estrutura encourage a descoberta científica na comunidade em geral. Existem muitos nanomateriais fotoativos (em vez de PSI) ligados à catálise enzimática para gerar combustíveis solares, mas nenhum desses sistemas foi estruturalmente caracterizado. Nossa esperança é que esta estrutura PSI-PtNP informe sobre esses outros sistemas e aumente a compreensão basic das relações estrutura-função que são fundamentais para a bioenergia.
