Новое поколение синтетических катализаторов на солнечном топливе

Принципы разработки нового поколения синтетических катализаторов

Команда химиков под руководством Йельского университета представила чертежи ключевого фермента, который может содержать принципы разработки нового поколения синтетических катализаторов солнечного топлива.

На этой иллюстрации представлена крио-ЭМ «карта» комплекса фотосистемы II. Это трехмерная реконструкция, основанная на двумерных крио-ЭМ-изображениях, при этом различные белковые субъединицы комплекса окрашены индивидуально. Предоставлено: Йельский университет.

В исследовании, возглавляемом Гэри Брудвигом и Кристофером Гизриэлем из Йельского университета, используется криоэлектронная микроскопия микроорганизма под названием Synechocystis, чтобы получить очень крупное изображение Фотосистемы II, фермента фотосинтеза, который использует воду в качестве солнечного топлива, что позволяет исследователям наблюдать как работает фермент.

Соавторами исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, являются исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде, Бостонского колледжа и Городского университета Нью-Йорка.

Как работает фотосинтез

Фотосинтез — это механизм, с помощью которого растения и определенные микроорганизмы, такие как Synechocystis , используют солнечный свет для синтеза пищи из углекислого газа и воды и наполняют атмосферу кислородом в качестве побочного продукта. В основе фотосинтеза лежит Фотосистема II, фермент, который окисляет молекулы воды, забирая их электроны для использования в качестве топлива.

Ученые давно искали способы имитировать этот процесс для создания более эффективных катализаторов солнечного топлива, изучая Photosystem II от Synechocystis. Но без четкого представления о молекулярной структуре Фотосистемы II у Synechocystis ученым было сложно понять результаты своих экспериментов.

Предыдущая работа, проведенная Йельским университетом, позволила создать снимок Photosytem II из Synechocystis на «незрелой» стадии, прежде чем фермент стал способен окислять воду. Эта работа позволила исследователям лучше понять, как устроен фермент.

В новом исследовании исследователи смогли увидеть фермент Synechocystis в его зрелой активной форме со всеми белковыми субъединицами и активностью, которые присутствуют во время окисления воды.

Наблюдение, которое стало возможным благодаря технологии криоэлектронной микроскопии в Западном кампусе Йельского университета, предлагает один из самых близких и подробных изображений, когда-либо сделанных для Photosystem II в Synechocystis.

• «В этом разрешении мы можем видеть аминокислоты, низкомолекулярные кофакторы и молекулы воды, которые используются в механизме окисления воды», — сказал Брудвиг, профессор химии Бенджамина Силлимана на факультете искусств и наук и директор Института энергетических наук в Западном кампусе Йельского университета. Брудвиг является автором исследования.
• «В некоторых случаях мы даже можем увидеть вклад отдельных протонов», — добавил Брудвиг. С помощью этого нового детального обзора Photosystem II от Synechocystis исследователи говорят, что они смогут внести крошечные изменения в фермент, например, мутировать отдельные аминокислоты, чтобы увидеть, как эти изменения влияют на функцию фермента.
• «Основная цель — понять химию окисления воды», — сказал Гизриэль, научный сотрудник химии и первый автор исследования. «То, что мы здесь сделали, обеспечивает платформу, на которой мы можем разобрать систему, обеспечивая принципы проектирования синтетических катализаторов на солнечном топливе».

Соавторами исследования из Йельского университета являются Чимин Ван, Цзиньчан Лю, Дэвид Флешер, Кристл Рейсс, Хао-Ли Хуанг, Кэ Ян и Виктор Батиста. Дополнительные соавторы — Уильям Армстронг из Бостонского колледжа, MR Gunner из Городского колледжа Нью-Йорка и Ричард Дебус из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Исследование финансировалось Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Национальным институтом здравоохранения.

Источник

Метки: Катализаторы