植物生物學(xué)的核心化學(xué)反應(yīng)途徑已經(jīng)過調(diào)整，形成了利用太陽能將水轉(zhuǎn)化為氫燃料的新工藝的支柱。在美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室最近的一項研究中，科學(xué)家將兩種膜結(jié)合蛋白復(fù)合物結(jié)合起來，將水分子完全轉(zhuǎn)化為氫和氧。

這項工作建立在早期研究的基礎(chǔ)之上，該研究檢測了這些蛋白質(zhì)復(fù)合物中的一種，稱為光系統(tǒng)I，一種膜蛋白，可以利用光能將電子提供給制造氫的無機(jī)催化劑。然而，這部分反應(yīng)僅代表氫氣生成所需的整個過程的一半。

通過使用第二種蛋白質(zhì)復(fù)合物，利用光能分解水并從中吸收電子，稱為光系統(tǒng)II，Argonne化學(xué)家LisaUtschig及其同事能夠從水中取出電子并將它們送入光系統(tǒng)I.

“這種設(shè)計的美妙之處在于其簡單性-您可以使用天然膜自行組裝催化劑，以實現(xiàn)您想要的化學(xué)反應(yīng)，”Argonne化學(xué)家LisaUtschig說。

在早期的實驗中，研究人員為光系統(tǒng)I提供了來自犧牲電子供體的電子。“技巧是如何快速連續(xù)地將兩個電子送到催化劑中，”Utschig說。

這兩種蛋白質(zhì)復(fù)合物嵌入類囊體膜中，就像在高等植物中產(chǎn)生氧氣的葉綠體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的那樣。“我們直接從大自然中獲取的膜對于配對兩個光系統(tǒng)至關(guān)重要，”Utschig說。“它在結(jié)構(gòu)上同時支持它們，并提供蛋白質(zhì)間電子轉(zhuǎn)移的直接途徑，但不會妨礙催化劑與光系統(tǒng)I的結(jié)合。”

根據(jù)Utschig的說法，Z-方案-這是在類囊體膜中發(fā)生的自然光合作用的光觸發(fā)電子傳輸鏈的技術(shù)名稱-和合成催化劑非常優(yōu)雅地結(jié)合在一起。“這種設(shè)計的美妙之處在于它的簡單性-你可以用天然膜自組裝催化劑來完成你想要的化學(xué)反應(yīng)，”她說。

另一項改進(jìn)涉及用鈷或含鎳催化劑代替早期研究中使用的昂貴的鉑催化劑。新的鈷或鎳催化劑可以大大降低潛在成本。

根據(jù)Utschig的說法，研究的下一步是將膜結(jié)合的Z-方案納入生命系統(tǒng)。“一旦我們擁有一個體內(nèi)系統(tǒng)-一個在生物體內(nèi)發(fā)生這一過程的系統(tǒng)-我們真的能夠看到橡膠在氫氣生產(chǎn)方面的發(fā)展，”她說。