Une équipe de recherche de la Ruhr-Universität Bochum (RUB), avec des collègues de Lisbonne, a produit une électrode semi-artificielle qui pourrait convertir l'énergie lumineuse en d'autres formes d'énergie dans les cellules biosolaires. La technique est basée sur la protéine de photosynthèse Photosystème I de cyanobactéries. Le groupe a montré qu'ils pouvaient coupler leur système avec une enzyme qui utilisait l'énergie lumineuse convertie pour produire de l'hydrogène. Les résultats ont été publiés en ligne au préalable en octobre 2020 dans la revue Angewandte Chemie .

Pour le travail, le groupe RUB composé de Panpan Wang, Dr Fangyuan Zhao, Dr Julian Szczesny, Dr Adrian Ruff, Le Dr Felipe Conzuelo et le professeur Wolfgang Schuhmann du Centre d'électrochimie ont coopéré avec l'équipe composée d'Anna Frank, Le professeur Marc Nowaczyk et le professeur Matthias Rögner de la Chaire de biochimie des plantes ainsi que des collègues de l'Universidade Nova de Lisboa.

Risque de court-circuit

Le photosystème I fait partie de la machinerie de photosynthèse des cyanobactéries et des plantes. Avec l'aide de l'énergie lumineuse, il peut séparer des charges et ainsi générer des électrons de haute énergie qui peuvent être transférés à d'autres molécules, par exemple aux protons pour la production d'hydrogène.

Dans des travaux antérieurs, les scientifiques de Bochum avaient déjà utilisé le photosystème complexe protéique collecteur de lumière I pour concevoir des électrodes pour les cellules biosolaires. Dans ce but, ils ont recouvert une électrode d'une monocouche du photosystème I. Dans de telles monocouches, les photosystèmes ne sont pas empilés les uns sur les autres, mais se trouvent côte à côte dans le même plan. Photosystème I, cependant, se produit généralement sous forme de trimère, c'est-à-dire que trois photosystèmes sont toujours reliés entre eux. Étant donné que les trimères ne peuvent pas être emballés ensemble, des trous apparaissent dans la monocouche, ce qui peut entraîner des courts-circuits. Cela nuit aux performances du système. C'est précisément ce problème que les scientifiques ont résolu dans le présent travail.

Trous dans la couche du photosystème bouchés

Chez la cyanobactérie Thermosynechococcus elongatus, le photosystème I existe principalement sous forme de trimère. Grâce à une nouvelle technique d'extraction, les chercheurs ont pu isoler en plus des monomères de l'organisme, créer une monocouche de photosystème I sur l'électrode dans laquelle les monomères remplissent les trous entre les trimères. De cette façon, ils ont réduit les effets de court-circuit. Le système a atteint des densités de courant deux fois plus élevées qu'un système composé uniquement de trimères.

Pour montrer à quoi pourrait en principe servir la technique, les scientifiques l'ont couplé à une enzyme hydrogénase qui produisait de l'hydrogène à l'aide d'électrons fournis par le photosystème. "Les travaux futurs seront orientés vers un couplage encore plus efficace entre la monocouche du photosystème et les biocatalyseurs intégrés pour réaliser des biosystèmes pratiques pour la conversion de l'énergie solaire, " écrivent les auteurs.