Tiết lộ cấu trúc của chất xúc tác quang hợp biến ánh sáng thành nhiên liệu hydro
Các nhà nghiên cứu của Argonne và Yale lần đầu tiên làm sáng tỏ cấu trúc của một loài lai quang hợp, tạo điều kiện cho những tiến bộ trong sản xuất năng lượng sạch.
Quang hợp là một trong những quá trình tự nhiên hiệu quả nhất để chuyển đổi năng lượng ánh sáng từ mặt trời thành năng lượng hóa học quan trọng cho sự sống trên trái đất. Các protein được gọi là hệ thống quang hợp rất quan trọng đối với quá trình này và chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.
Kết hợp một loại protein này, được gọi là hệ thống quang hợp I (PSI), với các hạt nano bạch kim, các hạt cực nhỏ có thể thực hiện phản ứng hóa học tạo ra hydro — một nguồn năng lượng sạch có giá trị — tạo ra chất xúc tác lai sinh học. Nghĩa là, ánh sáng được hấp thụ bởi PSI thúc đẩy quá trình sản xuất hydro của các hạt nano bạch kim.
“Thật sự rất thú vị khi giờ đây được trực tiếp nhìn vào hệ thống mà chúng tôi đã làm việc trong 13 năm qua.” — Lisa Utschig, nhà hóa học Argonne
Trong một bước đột phá gần đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Đại học Yale đã xác định được cấu trúc của chất xúc tác nhiên liệu mặt trời lai sinh học PSI. Dựa trên hơn 13 năm nghiên cứu tiên phong tại Argonne, nhóm nghiên cứu báo cáo góc nhìn độ phân giải cao đầu tiên về cấu trúc lai sinh học, sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử gọi là cryo-EM. Với thông tin về cấu trúc trong tay, tiến bộ này mở ra cánh cửa cho các nhà nghiên cứu phát triển các hệ thống nhiên liệu mặt trời lai sinh học với hiệu suất được cải thiện, có thể cung cấp một giải pháp thay thế bền vững cho các nguồn năng lượng truyền thống.
PSI là một phức hợp protein lớn được tìm thấy trong thực vật, tảo và vi khuẩn quang hợp. Protein này đóng vai trò quan trọng trong việc thu giữ và chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng. PSI có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng một cách rất hiệu quả — cứ mỗi một photon được protein hấp thụ, thì gần như luôn luôn tạo ra một electron. Các electron này sau đó có thể được chuyển đến các hạt nano bạch kim liên kết của biohybrid, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất khí hydro.
Trong công trình trước đó, nhà hóa học Lisa Utschig của Argonne đã có thể sử dụng PSI để điều khiển quá trình quang hợp và sản xuất nhiên liệu hydro. Bây giờ, cô và nhóm của mình đã có thể thấy cấu trúc của PSI biohybrid một cách chi tiết.
Utschig nói,
Thật sự rất thú vị khi giờ đây được trực tiếp nhìn vào hệ thống mà chúng tôi đã làm việc trong suốt 13 năm qua,
Mặc dù một số nghiên cứu đã khám phá các đặc tính của chất xúc tác PSI biohybrid, các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết các hạt nano bạch kim bám vào protein ở đâu. Sử dụng cryo-EM có độ phân giải cao, các nhà nghiên cứu đã có thể nghiên cứu kỹ lưỡng hơn về cấu trúc của biohybrid và tìm ra chính xác vị trí các hạt nano bám vào PSI.
Utschig nói,
Chúng tôi cho rằng các hạt nano đang liên kết ở nơi các đối tác truyền electron của PSI kết nối,
“Nhưng cấu trúc cho thấy thực sự có hai địa điểm. Và điều đó thực sự là một điều bất ngờ.”
Với thông tin cấu trúc này, các nhà nghiên cứu hiện có thể bắt đầu tối ưu hóa cách các hạt nano bám vào và tương tác để tăng cường hiệu quả xúc tác hơn nữa. Họ có thể thiết kế biohybrid bằng cách thay đổi các đặc tính của protein và điều chỉnh các hạt nano.
Utschig nói:
Thật tuyệt vời khi thấy năng lượng sinh học ở cấp độ phân tử và thấy cách một hạt nhân tạo và một loại protein tự nhiên kết hợp với nhau để tạo ra năng lượng,
Những người đóng góp khác cho tác phẩm này bao gồm Christopher J. Gisriel, Tirupathi Malavath, Tianyin Qiu, Jan Paul Menzel, Victor S. Batista và Gary W. Brudvig.
Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications. Trong nghiên cứu này, quá trình tổng hợp, thiết kế và cryo-EM của hệ thống biohybrid được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản của DOE, và cryo-EM cũng được tài trợ thêm bởi Viện Khoa học Y khoa Tổng quát Quốc gia thuộc Viện Y tế Quốc gia.
Tiết lộ cấu trúc của chất xúc tác quang hợp biến ánh sáng thành nhiên liệu hydro
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
