L'élargissement de la bande de longueurs d'onde lumineuses exploitables de l'enzyme est une amélioration importante étant donné la densité d'énergie extrêmement faible de la lumière du soleil. Crédit :Takehisa Dewa de l'Institut de technologie de Nagoya
Compte tenu de la nature limitée des réserves de combustibles fossiles et des impacts environnementaux dévastateurs de la dépendance aux combustibles fossiles, le développement de sources d'énergie propres est l'un des défis les plus urgents auxquels est confrontée la civilisation industrielle moderne. L'énergie solaire est une option d'énergie propre attrayante, mais la mise en œuvre à grande échelle des technologies de l'énergie solaire dépendra du développement de moyens efficaces de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique.
Comme beaucoup d'autres groupes de recherche, les membres de l'équipe de recherche du professeur Takehisa Dewa à l'Institut de technologie de Nagoya au Japon se sont tournés vers les appareils photosynthétiques biologiques, qui sont, selon les mots du professeur Dewa, à la fois "une source d'inspiration et une cible pour tester des moyens d'améliorer l'efficacité des systèmes artificiels". Spécifiquement, ils ont choisi de se concentrer sur la bactérie photosynthétique violette Rhodopseudomonas palustris, qui utilise un complexe central de centre de réaction à 1 réaction biohybride (LH1-RC) à la fois pour capturer l'énergie lumineuse et la convertir en énergie chimique.
Dans leurs études initiales sur R. palustris, Le groupe du professeur Dewa a rapidement noté que le système LH1-RC a certaines limites, comme le fait de ne pouvoir récolter efficacement l'énergie lumineuse que dans une bande de longueur d'onde relativement étroite en raison de sa dépendance aux (bactério)chlorophylles, un seul assemblage de pigments organiques photorécoltants (B875, nommé pour son maximum d'absorption). Pour surmonter cette limite, les chercheurs, en partenariat avec des collaborateurs de l'Université d'Osaka et de l'Université Ritsumeikan, expérimenté la liaison covalente du système LH1-RC à un ensemble de fluorophores (Alexa647, Alexa680, Alexa750, et ATTO647N). Les résultats de leurs expériences apparaissent dans un article publié dans un récent numéro de la Journal of Photochemistry &Photobiology A:Chimie .
Le système biohybride LH1-RC comprend un appareil de collecte de lumière (B875) qui transfère l'énergie aux composants générateurs de photocourant. En liant de manière covalente des chromophores externes au système LH1-RC, une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Nagoya a élargi avec succès le spectre d'absorbance de l'appareil de récolte de lumière du complexe protéique, lui permettant ainsi de convertir une gamme plus large de longueurs d'onde lumineuses en énergie chimique. Crédit :Takehisa Dewa de l'Institut de technologie de Nagoya
Ayant synthétisé leur système LH1-RC modifié, L'équipe du professeur Dewa a utilisé une méthode appelée « spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde » pour confirmer la présence d'un transfert « d'énergie d'excitation » ultrarapide des fluorophores aux pigments de bactériochlorophylle a dans l'assemblage B875. Ils ont également confirmé l'apparition ultérieure de réactions de « séparation de charge », une étape clé dans la récupération d'énergie. Sans surprise, le taux de transfert d'énergie d'excitation augmente avec un chevauchement spectral plus important entre les bandes d'émission des fluorophores et la bande d'absorption de B875. La fixation des fluorophores de collecte de lumière externes a stimulé le rendement maximal de l'enzyme en matière de séparation de charge et d'activité de génération de photocourant sur une électrode dans un système bicouche lipidique artificiel.
En introduisant des fluorophores liés de manière covalente dans une enzyme photosynthétique bactérienne, L'équipe du professeur Dewa a réussi à élargir la bande de longueurs d'onde lumineuses exploitables de l'enzyme. Il s'agit d'une amélioration importante étant donné la densité énergétique extrêmement faible de la lumière solaire. "Cette découverte pourrait ouvrir la voie au développement d'un système de photosynthèse artificielle efficace pour la conversion de l'énergie solaire, " note le professeur Dewa. " La recherche sur les biohybrides devrait fournir des informations sur le développement de systèmes de conversion d'énergie réalisables, donnant ainsi à la civilisation moderne avancée une option pratique pour accéder à un approvisionnement inépuisable d'énergie solaire propre, " il ajoute.
Les systèmes de conversion d'énergie en question peuvent prendre plusieurs formes, y compris divers nanomatériaux, tels que les points quantiques et les matériaux nanocarbonés, mais une caractéristique unificatrice sera la nécessité d'un moyen d'exploiter un appareil de collecte de lumière à large spectre à un appareil générateur de photocourant, et le système de type biohybride développé par l'équipe du professeur Dewa fournit un moyen réalisable de répondre à ce besoin.
