La bacteria del azufre verde tiene su hogar en las frías aguas del Mar Negro. Para sobrevivir a su existencia solitaria, esta forma de vida recolecta energía de la débil luz solar disponible a una profundidad de más de 250 pies.
Las plantas realizan el mismo truco notable, recolectando energía radiante del sol y convirtiéndola en energía biológica esencial para el crecimiento. Este proceso, perfeccionado durante miles de millones de años, se conoce como fotosíntesis.
Ahora, Hao Yan y Neal Woodbury del Biodesign Institute de ASU y colegas de Harvard y MIT, exploran nuevos métodos para capitalizar los secretos de la recolección de luz de la Naturaleza. Su nuevo estudio describe el diseño de un sistema sintético para la recolección, conversión y transporte de energía quepuede señalar el camino hacia las innovaciones en energía solar, ciencia de materiales, nanotecnología y fotónica.
"Este esfuerzo de colaboración de varios institutos demuestra un buen uso de la nanotecnología de ADN para controlar espacialmente y organizar cromóforos para futuras redes excitónicas", dijo Yan
Movimientos de luz
En una investigación que aparece en la edición avanzada en línea de la revista Materiales naturales , se describe un sistema para el ensamblaje programado de elementos captadores de luz o cromóforos. En sistemas naturales como plantas y bacterias fotosintéticas, la organización espacial de cromóforos densamente empaquetados es vital para una transferencia de energía eficiente y dirigida. Estos sistemas biológicos ordenan los cromóforos ende manera precisa en andamios rígidos compuestos de proteína.
Prácticamente toda la vida en la tierra depende directa o indirectamente de la fotosíntesis. Los organismos que la usan transportan eficientemente la energía de la luz solar desde los receptores, que recolectan fotones de la luz solar, a los centros de reacción donde la energía puede ser aprovechada, un desempeño que fácilmente rivaliza con loscélulas solares eficientes hechas por humanos.
Los esfuerzos para comprender los sistemas de captación de luz natural en las plantas y los microbios fotosintéticos se remontan al menos a un siglo. Aunque los fenómenos se han entendido en líneas generales, los detalles resultan ser complejos y los desafíos para crear análogos sintéticos han sido significativos.
Las plantas llevan a cabo la fotosíntesis convirtiendo los fotones de luz que inciden en sus cromóforos en otra forma de energía conocida como excitón. Un excitón es un estado energético de una molécula, o grupo de moléculas estrechamente acopladas después de que son excitadas por la absorción de luz. Las excitonas sonvaliosos tanto en la fotosíntesis natural como en los esfuerzos de investigación para duplicar el proceso, porque pueden transportar energía de una molécula a otra, energía que en última instancia se puede utilizar para impulsar el movimiento de electrones.
Se espera que la energía solar contribuya significativamente al suministro de energía mundial durante el próximo siglo, a medida que la sociedad deje de utilizar combustibles fósiles. Para lograr esto, los investigadores deben aprender a capturar, transferir y almacenar energía solar con la máxima eficiencia encosto asequible.
Diseñando desde la naturaleza
En el estudio actual, las moléculas de colorante que responden a rangos particulares de energía luminosa se utilizan como cromóforos sintéticos. Al usar el ADN como andamio, las posiciones relativas de las moléculas de colorante se pueden controlar con precisión, imitando mejor los sistemas naturales.
Este andamio de ADN se puede autoensamblar a partir de 6 tiras de ADN de una sola hebra cuyas propiedades de emparejamiento de bases hacen que forme la estructura deseada. La forma, que se ha convertido en un pilar en el campo de la nanotecnología del ADN, se conoce como doble cruce.- o DX-tile. Se usa comúnmente como un bloque de construcción básico para ensamblajes de ADN sintético programados.
El método descrito permite modelar la disposición óptima de cromóforos, produciendo un circuito de captación de luz que puede transportar eficientemente la energía de un fotón absorbido a lo largo de la arquitectura del ADN con una pérdida mínima de energía en el camino.
"La capacidad de modelar y construir circuitos moleculares para recolectar energía luminosa y moverla de manera controlada, abre la puerta para el diseño y desarrollo de una variedad de dispositivos a nanoescala que son alimentados y controlados por luz", Woodburydijo.
El circuito sintético resultante permite que los espectros de absorción de los cromóforos se ajusten sutilmente de una manera similar a los sistemas de captación de luz natural. Esto se puede lograr en parte controlando con precisión la orientación de las moléculas de colorante y su distancia entre sí.
salto cuántico
Recientemente, los investigadores han determinado que parte del éxito de los sistemas fotosintéticos naturales se debe a efectos físicos extravagantes que pertenecen al mundo cuántico. Resulta que en los organismos fotosintéticos que contienen múltiples cromóforos empaquetados muy juntos, la excitación de la luz puede compartirse entre moléculas.Esta característica, conocida como coherencia cuántica, puede mejorar significativamente la eficiencia de la transferencia de energía. Es una de las razones por las que las plantas y las bacterias fotosintéticas son tan buenas.
La eficacia de los sistemas biológicos y las nanomáquinas para capturar luz y transportar energía se debe a la arquitectura a nanoescala altamente ordenada de las moléculas fotoactivas. En las últimas décadas, el uso del ADN como plantilla para la disposición de elementos funcionales como colorantes orgánicos enmatrices precisas ha experimentado un rápido avance.
En el estudio actual, se aprovecharon las propiedades de autoensamblaje del ADN y los cromóforos para determinar con precisión las ubicaciones de los conjuntos de cromóforos agregados J en la placa DX. Estos conjuntos cromóforos agregados J tienen características de recolección de luz similares a lasantenas de captación de luz natural utilizadas por bacterias fotosintéticas de color púrpura.
El primer paso fue identificar el rango de tamaño de los agregados de colorante cromóforo que podrían autoensamblarse con éxito en una longitud de ADN de doble hebra, sin dejar de conservar las propiedades de transferencia de energía eficiente. El modelado determinó que la longitud mínima de ADN necesaria para acomodar unEl agregado J de cromóforos fue de 8 pares de bases.
A continuación, se diseñó, modeló y optimizó un circuito compuesto por cuatro agregados cromóforos dispuestos en el mosaico basado en DX, utilizando principios de dinámica cuántica para guiar el ensamblaje racional de múltiples agregados de tinte discretos dentro de un mosaico DX de ADN. El cromóforoLos agregados se exploraron computacionalmente para identificar diseños de secuencias que muestran propiedades de transporte rápido de excitones.
A continuación, se sintetizó el diseño de circuito óptimo y se utilizaron métodos sofisticados de espectroscopía de fluorescencia para caracterizar con precisión los resultados. Investigaciones adicionales intentaron caracterizar con precisión la organización molecular de los cromóforos dentro de un solo agregado J.
Los investigadores estimaron que un agregado de 6 moléculas de colorante se ensamblaría por cada segmento de ADN de 8 pares de bases, un resultado que se alineó bien con estimaciones anteriores de 8-12 moléculas de colorante por cada vuelta de la escalera de doble hélice del ADN. Una distancia de separaciónde 2 pares de bases se determinó para proporcionar el mejor acoplamiento excitónico entre agregados cromóforos adyacentes. El circuito resultante mostró propiedades de transporte de energía consistentes con las predicciones del modelado.
Luz futura
El éxito es otra demostración del poder y la versatilidad de un enfoque de abajo hacia arriba para el ensamblaje de arquitecturas de nanoescala. Específicamente, el diseño de circuitos excitónicos como el descrito podría conducir a nuevas aplicaciones más allá de la tecnología de recolección de luz, incluyendoinnovaciones en tecnología de la información y las comunicaciones, y avances en campos que van desde el medio ambiente, el transporte, la atención médica, la fabricación y la energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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