La bactérie sulfureuse verte a élu domicile dans les eaux froides de la mer Noire. Pour survivre à son existence solitaire, cette forme de vie récupère l'énergie de la faible lumière du soleil dont elle dispose à une profondeur de plus de 250 pieds.

Les plantes exécutent le même tour remarquable, recueillir l'énergie rayonnante du soleil et la convertir en énergie biologique essentielle à la croissance. Ce processus, perfectionné sur des milliards d'années, est connu sous le nom de photosynthèse.

Maintenant, Hao Yan et Neal Woodbury du Biodesign Institute de l'ASU et leurs collègues de Harvard et du MIT, explorer de nouvelles méthodes pour capitaliser sur les secrets de la récolte de lumière de la nature. Leur nouvelle étude décrit la conception d'un système synthétique pour la collecte d'énergie, la conversion et le transport qui peuvent ouvrir la voie à des innovations dans l'énergie solaire, la science des matériaux, nanotechnologie et photonique.

"Cet effort de collaboration multi-instituts démontre une belle utilisation de la nanotechnologie de l'ADN pour contrôler spatialement et organiser les chromophores pour les futurs réseaux excitoniques, " Yan dit

Mouvements légers

Dans la recherche apparaissant dans le numéro en ligne avancé de la revue Matériaux naturels , l'invention concerne un système d'assemblage programmé d'éléments de collecte de lumière ou de chromophores. Dans les systèmes naturels comme les plantes et les bactéries photosynthétiques, l'organisation spatiale des chromophores densément emballés est vitale pour l'efficacité, transfert d'énergie dirigé. De tels systèmes biologiques organisent les chromophores de manière précise sur des échafaudages rigides composés de protéines.

Pratiquement toute la vie sur terre dépend directement ou indirectement de la photosynthèse. Les organismes qui l'utilisent transportent efficacement l'énergie de la lumière solaire à partir de récepteurs, qui recueillent les photons de la lumière du soleil, aux centres de réaction où l'énergie peut être exploitée, une performance rivalisant facilement avec les cellules solaires artificielles les plus efficaces.

Les efforts pour comprendre les systèmes de récolte de lumière naturelle dans les plantes et les microbes photosynthétiques remontent à au moins un siècle. Bien que les phénomènes aient été compris dans leurs grandes lignes, les détails s'avèrent complexes et les défis liés à la création d'analogues synthétiques ont été importants.

Les plantes effectuent la photosynthèse en convertissant les photons de lumière frappant leurs chromophores en une autre forme d'énergie connue sous le nom d'exciton. Un exciton est un état énergétique d'une molécule, ou groupe étroitement couplé de molécules après qu'elles soient excitées par absorption de lumière. Les excitons sont précieux à la fois dans la photosynthèse naturelle et dans les efforts de recherche pour dupliquer le processus, car ils peuvent transporter l'énergie d'une molécule à une autre, énergie qui peut finalement être utilisée pour alimenter le mouvement des électrons.

L'énergie solaire devrait contribuer de manière significative à l'approvisionnement énergétique mondial au cours du prochain siècle, à mesure que la société s'éloigne de l'utilisation des combustibles fossiles. Pour y parvenir, les chercheurs doivent apprendre à saisir, transférez et stockez l'énergie solaire avec une efficacité maximale à un coût abordable.

Concevoir à partir de la nature

Dans l'étude actuelle, des molécules de colorant sensibles à des gammes particulières d'énergie lumineuse sont utilisées comme chromophores synthétiques. En utilisant l'ADN comme échafaudage, les positions relatives des molécules de colorant peuvent être contrôlées avec précision, mieux imiter les systèmes naturels.

Cet échafaudage d'ADN peut s'auto-assembler à partir de 6 bandes d'ADN simple brin dont les propriétés d'appariement des bases l'amènent à former la structure souhaitée. La forme, qui est devenu un pilier dans le domaine de la nanotechnologie de l'ADN, est connu sous le nom de double croisement ou tuile DX. (Voir Figure 1) Il est couramment utilisé comme bloc de construction de base pour les assemblages d'ADN synthétique programmés.

La méthode décrite permet de modéliser l'arrangement optimal des chromophores, produire un circuit de collecte de lumière capable de transporter efficacement l'énergie d'un photon absorbé sur une distance le long de l'architecture de l'ADN avec une perte d'énergie minimale en cours de route.

"La capacité de modéliser et de construire des circuits moléculaires pour collecter l'énergie lumineuse et la déplacer de manière contrôlée, ouvre la porte à la conception et au développement d'une variété de dispositifs à l'échelle nanométrique qui sont alimentés et contrôlés par la lumière, " a déclaré Woodbury.

Le circuit synthétique résultant permet aux spectres d'absorption des chromophores d'être subtilement réglés d'une manière similaire aux systèmes de récolte de lumière naturelle. Ceci peut être accompli en partie en contrôlant avec précision l'orientation des molécules de colorant et leur distance les unes par rapport aux autres.

Saut quantique

Récemment, les chercheurs ont déterminé qu'une partie du succès des systèmes photosynthétiques naturels est due à des effets physiques bizarres appartenant au monde quantique. Il s'avère que dans les organismes photosynthétiques contenant plusieurs chromophores emballés étroitement ensemble, l'excitation lumineuse peut être partagée entre les molécules. Cette caractéristique, connue sous le nom de cohérence quantique, peut améliorer considérablement l'efficacité du transfert d'énergie. C'est l'une des raisons pour lesquelles les plantes et les bactéries photosynthétiques y sont si douées.

L'efficacité des systèmes biologiques et des nanomachines pour capturer la lumière et transporter l'énergie est due à l'architecture nanométrique hautement ordonnée des molécules photoactives. Au cours des dernières décennies, l'utilisation de l'ADN comme matrice pour l'agencement d'éléments fonctionnels tels que des colorants organiques en matrices précises a connu des progrès rapides.

Dans l'étude actuelle, les propriétés d'auto-assemblage de l'ADN et des chromophores ont été exploitées pour déterminer avec précision les emplacements des assemblages de chromophores d'agrégat J sur la tuile DX. Ces assemblages de chromophores à agrégat J ont des caractéristiques de collecte de lumière similaires aux antennes de collecte de lumière naturelle utilisées par les bactéries pourpres photosynthétiques.

La première étape consistait à identifier la gamme de tailles des agrégats de colorants chromophores qui pourraient s'auto-assembler avec succès sur une longueur d'ADN double brin, tout en conservant des propriétés de transfert d'énergie efficaces. La modélisation a déterminé que la longueur minimale d'ADN nécessaire pour accueillir un agrégat J stable de chromophores était de 8 paires de bases.

Prochain, un circuit composé de quatre agrégats de chromophores disposés sur la tuile à base de DX a été conçu, modélisé, et optimisé, en utilisant les principes de la dynamique quantique pour guider l'assemblage rationnel de plusieurs agrégats de colorants discrets au sein d'une tuile ADN DX. Les agrégats de chromophores ont été explorés informatiquement pour identifier des conceptions de séquences présentant des propriétés de transport d'excitons rapides.

La conception optimale du circuit a ensuite été synthétisée et des méthodes sophistiquées de spectroscopie de fluorescence ont été utilisées pour caractériser avec précision les résultats. D'autres recherches ont tenté de caractériser avec précision l'organisation moléculaire des chromophores au sein d'un seul agrégat J.

Les chercheurs ont estimé qu'un agrégat de 6 molécules de colorant s'assemblerait par segment de 8 paires de bases d'ADN, un résultat, qui s'alignait bien avec les estimations antérieures de 8 à 12 molécules de colorant pour chaque tour de l'échelle à double hélice de l'ADN. Une distance de séparation de 2 paires de bases a été déterminée pour fournir le meilleur couplage excitonique entre les agrégats de chromophores adjacents. Le circuit résultant a affiché des propriétés de transport d'énergie cohérentes avec les prédictions de la modélisation.

Lumière du futur

Ce succès est une autre démonstration de la puissance et de la polyvalence d'une approche ascendante de l'assemblage d'architectures à l'échelle nanométrique. Spécifiquement, la conception de circuits excitoniques comme celui décrit pourrait conduire à de nouvelles applications au-delà de la technologie de récolte de lumière, y compris les innovations dans les technologies de l'information et de la communication, et des avancées dans des domaines allant de l'environnement, transport, soins de santé, fabrication et de l'énergie.