Белок медуз осветил будущее солнечной энергетики
Фотогальванические элементы на кремнии процветают и модифицируются, но на смену им уже идёт органика, дешёвая и экологичная. Именно малопривлекательная зелёная слизь из живых клеток простых организмов – от водорослей до медуз – обещает нешуточные перспективы. Это взялись доказать сразу две команды исследователей из Швеции и Великобритании.Первое открытие совершили шведские учёные из технологического университета Чалмерса (Chalmers). Они изготовили прототип солнечной ячейки, в конструкцию которой введён необычный элемент – зелёный флуоресцентный протеин хрустальной медузы.Традиционно зелёный флуоресцентный белок (GFP) используется как светящаяся метка в клеточной и молекулярной биологии при изучении экспрессии генов (для чего даже разработана специальная видеосистема).
Видео: Fiorenzo Omenetto: Silk, the ancient material of the future
GFP как маркер оказался полезен и в генной инженерии – он позволяет различать гибридные клетки при их селекции. Именно "светящемуся" белку мы обязаны множеством существующих трансгенных видов живых организмов. За открытие и применение этого неоценимого инструмента учёные, выделившие GFP, были отмечены Нобелевской премией по химии 2008 года.
"Подсвеченные" с помощью GFP живые ткани открыли в своё время учёным возможность наблюдать за недоступными ранее процессами – ростом нервных клеток и раковых опухолей или, как на этой картинке, за развитием мышиного эмбриона (иллюстрация Southwestern University). |
Почти полвека учёные пользовались GFP, довольно слабо себе представляя, какова истинная функция белка в природе – она была раскрыта только в 2009 году. Тогда совершившие прорыв российские исследователи выяснили, что GFP ответственен за процесс, походящий на фотосинтез, и, возможно, помогает организмам чувствовать свет.
В таком ключе чудесный белок исследовали шведские специалисты под руководством Закари Чирагванди (Zackary Chiragwandi), которые собрали фотогальваническую ячейку из двух алюминиевых электродов с подложкой из диоксида кремния.
 |
| Свою разработку Чирагванди и коллеги ведут довольно давно – прототип нынешнего устройства был описан в статье 2008 года, опубликованной в Journal of Physical Chemistry C (иллюстрация Chiragwandi et al.). |
Электроды разделяет небольшое расстояние, где и находится упомянутый белок. При облучении ультрафиолетом он поглощает фотоны и производит электроны, выполняя функции красителя в ячейках Гретцеля.
Белок медузы был выбран исследователями по причине своей дешевизны (для "классических" же ячеек Гретцеля требуется смешанный с красителем диоксид титана). А ещё белок не нужно дополнительно обрабатывать перед опытом.
Также учёные интегрировали данный протеин в биологический топливный элемент, не требующий внешнего источника света. Фотоны в таком устройстве создаются смесью веществ, таких как магний и ферменты люциферазы, наблюдаемые в организмах светлячков (Lampyridae) и морских анютиных глазок (Renilla reniformis).
Учёные, статья которых пока не опубликована в рецензируемом журнале, предполагают – подобный источник питания пригодится для медицинских диагностических наноустройств будущего.
Хрустальные медузы, однако, не единственные поставщики материала для органических солнечных ячеек. Другая группа учёных из лаборатории CREST при Кембридже разработала похожий на детище шведов прибор, в состав которого входят водоросли.
Плёнку из фотосинтезирующих клеток учёные разместили поверх прозрачного проводника. Последний обращён к покрытому платиновыми наночастицами катоду из углерода. Клетки водорослей в таком приборе начинают под воздействием солнца расщеплять воду и выделять кислород, электроны и протоны.
Прежде чем электроны пойдут на преобразование диоксида углерода в органические соединения, устройство словно "вытягивает" их из клеток – во внешней цепи идёт ток.
 |
В прошлом году команда учёных из Кембриджа открыла особенности клеточного строения, благодаря которым колония водорослей "танцует" (на снимке), закручиваясь вокруг своей оси (о чём биологи написали статью в Physical Review Letters). Тему энергетического использования водорослей исследует специальный университетский комитет Algal Bioenergy Consortium (иллюстрация Drescher et al.). |
Следует отметить, что КПД данного устройства пока оставляет желать лучшего – всего лишь 0,1%. Тем не менее кембриджские учёные полны энтузиазма.
"У водорослей имеется значительный потенциал в качестве источника биоэнергии. Изучая основы их метаболизма и молекулярной биологии, а также умело используя фантастические естественные вариации различных видов этих растений, мы сможем использовать этот потенциал для массового производства энергии", – утверждает в пресс-релизе Кембриджа Дэвид Болкомб (David Baulcombe), глава кафедры ботаники.
Несмотря на достаточно скромные успехи в работе, британские специалисты до такой степени уверены в перспективности применения водорослей в энергетике, что прошедшим летом организовали тематическую выставку "Познакомьтесь с водорослями" (Meet the Algae). Она прошла в рамках ежегодной научной выставки Королевского общества – Summer Science Exhibition 2010.
