Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. Han encontrado una nueva forma de producir combustibles solares mediante el desarrollo de maquinaria bionano completamente sintética para recolectar luz sin la necesidad de una célula viva.
La técnica de los investigadores, informada en ACS Nano como "membrana sintética púrpura", es un paso importante hacia la producción de combustibles limpios que pueden ayudar a resolver los desafíos energéticos globales.
Estas membranas sintéticas de color púrpura contienen pequeños discos de compuestos orgánicos llamados lípidos, proteínas artificiales y nanopartículas semiconductoras que, cuando se toman juntas, pueden transformar la luz solar en combustible de hidrógeno.
"A diferencia de otros enfoques modernos, hemos podido utilizar materiales ecológicos y sin cadmio para hacer que esta nanoarquitectura funcione de manera eficiente bajo luz visible", dijo Elena Rozhkova, científica del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne y autora del estudio..
En el centro de la plantilla artificial creada por los investigadores de Argonne se encuentra la bacteriorrodopsina producida sintéticamente. Esta proteína se encuentra normalmente en las membranas de Halobacterium salinarum , un organismo unicelular antiguo que vive en condiciones extremas de alta salinidad, como el Gran Lago Salado de Utah y las aguas termales del Parque Nacional Yellowstone, que aparecen como columnas de agua de color púrpura.
En las bacterias, la proteína usa energía de la luz visible para bombear protones a través de la membrana celular, creando un gradiente eléctrico que el organismo usa para generar y almacenar energía química.
"Este sistema sintético nos da la capacidad de reconfigurar un proceso biológico antiguo para una nueva y útil aplicación de energía", agregó Rozhkova. "En una membrana púrpura natural, las bacterias usan bacteriorrodopsina para recolectar energía de la luz. Las membranas púrpura sintéticas nos permitenutilizar las herramientas nanotecnológicas que hemos creado para adaptar esto y generar energía y atender las necesidades humanas ", dijo.
"No estamos aislando un sistema natural para generar energía a partir de la luz solar, sino que estamos construyendo un sistema completamente creado por humanos para la expresión de proteínas diseñadas sin la necesidad de células biológicas, y luego combinándolas con partículas semiconductoras".
Anteriormente, se utilizaba una plataforma de síntesis de proteínas sin células para biología estructural y proteínas de fabricación para aplicaciones médicas.
"Es por eso que usamos los nanodiscos: imitan la membrana biológica que normalmente soporta la bacteriorrodopsina y habilita su función", dijo Rozhkova.
Para crear la versión sintética de la proteína de membrana, los investigadores utilizaron un mínimo de elementos celulares clave: los nanodiscos, ADN sintético que codifica la proteína, otros componentes biológicos necesarios para la fabricación de proteínas, incluidos los aminoácidos, y también proteína ribosoma aislada.maquinaria de fabricación. Esto condujo a la expresión exitosa de la bacteriorrodopsina sintética a través de los nanodiscos.
"El proceso de síntesis de proteínas artificiales se visualizó con gran precisión utilizando microscopía de sonda de barrido de alta resolución", dijo Val Novosad, científico de materiales en Argonne.
Una vez preparadas, las membranas sintéticas de color púrpura se ensamblaron con nanopartículas de dióxido de titanio para la evolución de hidrógeno bajo luz visible. Los resultados revelan que el sistema completamente creado por humanos utilizó la energía de la luz para producir hidrógeno con una eficiencia similar o incluso mayor en comparación con los sistemasbasado en una membrana bacteriana púrpura.
"Cuando el dióxido de titanio modificado con proteínas artificiales absorbe la luz visible, utiliza la energía de la luz para generar electrones, que eventualmente interactúan con los protones en la superficie de un cocatalizador para formar hidrógeno", dijo Peng Wang, unex designado postdoctoral de Argonne y otro autor del estudio.
El estudio destaca la capacidad del semiconductor para aprovechar la energía de la luz visible en oposición a la luz ultravioleta UV, una función fundamental para la investigación de energías renovables.
"De toda la luz que proviene del sol, solo alrededor del cuatro por ciento contiene luz ultravioleta, lo que hace que la luz ultravioleta no sea la mejor opción en términos de producción de energía. Además, la luz ultravioleta es dañina para el medio ambiente", agregó Wang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Joan Koka. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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