Прообразом новых солнечных батарей могут стать бактерии

Ученые открыли структуру упаковки светочувствительных молекул зеленых бактерий, помогающую организмам чрезвычайно эффективно перерабатывать солнечный свет в химическую энергию, необходимую им для жизни.  

Открытие может в будущем привести к созданию нового поколения солнечных батарей, считают авторы исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Зеленые бактерии, ставшие предметом исследования ученых, используют энергию света для переработки соединений серы или железа, подобно тому, как растения используют солнечный свет в фотосинтезе. При этом организмы вынуждены довольствоваться очень ограниченным количеством солнечного света, так как живут они в водах горячих гидротермальных источников или в морях на глубине более 100 метров. 

Для эффективного использования даже небольших количеств солнечного света светочувствительные молекулы бактериального хлорофилла (бактериохлорофилла) в организмах, похожие на светочувствительные молекулы растений и придающие им зеленый цвет, объединяются молекулярные комплексы - так называемые хлоросомы. 

Структура этих хлоросом до сих пор оставалась последней неизученной структурой светочувствительных комплексов молекул, встречающихся в природе. 

Причиной этого является необычайное разнообразие хлоросом - разные их типы содержат разное количеств молекул бактериального хлорофилла, которое может составлять до 250 тысяч, имеют различную форму и структуру упаковки молекул. Такое разнообразие молекулярных комплексов, встречающееся в одном и том же организме, невозможно изучить обычными рентгеноструктурными методами. 

Для того, чтобы обойти эту проблему, ученым пришлось использовать комбинацию генетических и структурных методов, а также математическое моделирование для изучения структуры одного единственного типа бактериальных хлоросом. 

"С помощью генетических методов мы создали клон зеленых бактерий, активность некоторых генов в котором была отключена и он содержал только один тип хлоросом. Этот лабораторный клон при облучении рос намного медленнее своих диких аналогов, что натолкнуло нас на мысль о том, что сложность устройства хлоросом - ключевой фактор их эффективности в переработке света бактериями", - сказал профессор Дональд Брайант (Donald Bryant), руководивший работами, слова которого приводит пресс-служба Пенсильванского университета. 

С помощью электронной микроскопии в условиях сверхнизких температур ученые обнаружили, что хлоросомы бактерий имеют трубчатую форму. При этом клоны имели только один тип трубок, тогда как природные зеленые бактерии имели наборы таких хлоросом, организованные в упорядоченные структуры. 

Дальнейшие исследования показали, что молекулы хлорофилла в хлоросомах объединены в пары под определенным углом и закручены в винтовые спирали. 

Набор хлоросом различного размера с различным количеством хлорофиллов, объединенных в пары и закрученных под разными углами, и определяет способность организмов чрезвычайно эффективно использовать солнечный свет. Он позволят очень быстро доставить полученный свет в любую точку клетки, нуждающуюся в энергии. 

"Математическое моделирование показало, что если бы все хлоросомы были одинаковы и упорядочены, доставка энергии света к определенному месту в клетке неизбежно требовала бы включения этот процесс всей системы молекул хлорофилла в организме. Этот процесс требовал бы относительно большое количество времени. В сравнении с несколькими наносекундами освещения, выпадающего этому типу организмов всего несколько раз в день, это время может быть слишком большим", - сказал Брайант. 

В случае зеленых бактерий каждый новый фотон света перераспределяется между небольшим набором хлоросом, распределенных в организме хаотически, а потому его энергия используется очень быстро и эффективно. 

"Мы могли бы использовать этот принцип в солнечных батареях будущего. В создании искусственных систем, подобных хлоросомам нет ничего сложного", - добавил Брайант.