NAGY LÁSZLO - MASSIMO TROTTA Tanulhatunk-e a molekuláktól?

NAGY LÁSZLO - MASSIMO TROTTA Tanulhatunk-e a molekuláktól? Természet Világa 2000. február

NAGY LÁSZLO - MASSIMO TROTTA Tanulhatunk-e a molekuláktól? A mesterséges fotoszintézis megvalósításának lehetőségei Ma már könyvtárakat lehetne megtölteni azokkal a cikkekkel, könyvekkel, amelyek azzal foglalkoznak, hogy milyen technikai megoldásokat alkalmaznak az élőlények érzékelésük, mozgásuk és általában az életműködéseik során, és ezeket az ember hogyan használja fel különböző berendezések megtervezésében. Vagyis mit tanulhatunk mi az élőlényektől? Nem is gondolnánk, hogy az élővilág legkülönfélébb szerveződési szintjein, a szupraindividuálistól a molekulárisig talál-hatunk tanulnivalót. Érdemes az evolúció megoldásait is tanulmányozni, hiszen segíthet sok technikai feladat megoldásában. Nézzünk erre egy érdekes példát! A vízből való lélegzésnek a légkörire való cseréje dramatikus változást okozott az oxigén-szén-dioxid gázcsere hatékonyságában. Ezért a levegőből lélegző kétéltűek az oxigén felvételét főképp a tüdőn keresztül, míg a szén-dioxid leadását inkább a nagyobb és nedves testfelszínen keresztül végzik. Mivel a bőrön keresztüli légzés a bőr elszarusodása miatt nehézkessé vált, egyre inkább a tüdő vette át a szén-dioxid gázcsere elvégzésének a szerepét is. Ezt az egyre nagyobb felület lehetővé is tette. Ugyanakkor kb. tíz-szeresére növekedett a szén-dioxid parciális nyomása a vérben (3-4 Hgmm-ról 40 Hgmm-re), amit a szervezet a vér a HCC^" szintjének emelésével kompenzált. A kétéltűek légzése tehát (és a tüdőshalaké is, amelyek kopoltyúikkal inkább csak a szén-dioxid gázcserét végzik) kettős mechanizmusú (bimodal) légzés. Most a kutatók azon fáradoznak, hogy bizonyos légzési elégtelenségben szenvedő egyéneken ilyen „bimodal" mechanizmussal segítsenek (Nolte, 1998). Az oxigén felvétele megmaradna a tüdő feladata, míg a vér szén-dioxid-mentesítése a testen kívüli berendezésben történne. Természetesen folynak kísérletek olyan berendezésekkel is, amelyek mind az oxigén, mind a szén-dioxid cseréjét elvégzik a testen kívül, sőt a testbe beépíthető változaton is dolgoznak (Vaslef és mtsai, 1994). Gondoljuk csak meg! Oxigénfelvétel és szén-dioxid-leadás! Vannak olyan élőlények, amelyek oxigént termelnek, és szén-dioxidot használnak fel életműködéseik során - a fotószintetizáló szervezetek. Nem lehetne ezeket a szervezeteket (egysejtű algákat az egyszerűség kedvéért) rávenni arra, hogy ezt a vér számára is elvégezzék? Nos, folytatnak kísérleteket ilyen „foto-szintetikus mesterséges tüdő" megalkotására is, de az az érzésünk, hogy ez ma még inkább csak érdekesség lehet, mint a közeljövő sikeres gyakorlata (Basu-Dutt és mtsai, 1997). Láttuk tehát, hogy az élőlényektől tanulva (innen indulva legalábbis) megalkothattuk a repülőgépet, az ember a levegőbe emelkedhetett. Ma már bizonyára megmosolyognánk azt, aki ezt szárnycsapásszerű mozgásokkal szeretné elérni. Ám a természettől tanulva egyre tökéletesebb lehet az a be-rendezés is, amellyel súlyos légzési nehézséggel küszködő embertársainkon tartósan segíteni szeretnénk. Jó példái lehetnek annak, hogy a szervezet, vagy a szervrendszer szintjén milyen hasznos dolgokat „leshetünk el" az élőlényektől élet-körülményeink javítására. A továbbiakban megkíséreljük bemutatni, hogy mennyi hasznosat tanulhatunk a molekuláktól egy mindannyiunkat nagyon-nagyon érintő kérdés megoldása érdekében. A fotoszintetikus reakciócentrum Vizsgáljuk például a fotoszintézist. Mivel a fotoszintetikus reakciócentrum szerkezetének és működésének a kutatása egy-más után gyorsan két Nobel-díjat is „kiérdemelt" (Michel, Deisenhofer, Huber, 1988; Marcus, 1993), vegyük példának ezt a pigment-protein komplexet. Azért is, mert nyilvánvalóan e Nobel-díjaknak köszönhetően (ugyanakkor a molekuláris biológia, az információ- és a számítástechnika fejlődése miatt is) a molekuláris szerkezetkutatás legkedveltebb modellrend-szere lett ez a molekularendszer. Ki gondolná, hogy mennyi hasznosat tanulhatunk ettől a nem is olyan nagyon bonyolult molekulakomplextől? A fotoszintetikus reakciócentrum egy membránba orientáltan beágyazott pigment-protein-komplex, amely képes az elnyelt fény energiáját stabil töltéspár energiájává alakítani. Ez a fehérjekomplex évmilliók óta a legtökéletesebben látja el ezt a feladatát, 100%-hoz közeli kvantumhatásfokkal, amit eddig egyetlen, ember által készített berendezés sem tudott megközelíteni. Működésének köszönhetjük nemcsak a mai oxidáló légkörünket, hanem azt is, hogy - ki tudja meddig használ-hatjuk a bioszféra hajdan volt pozitív energiamérlegének tartalékait (a fosszilis energiahordozókat). Régi vágya az emberiségnek, és egyre sürgetőbb feladata is, hogy olyan berendezést készítsen, amelynek segítségével tisztán, gazdaságosan, megújíthatóan juthatunk energiához - a lehető leghosszabb (talán beláthatatlan) ideig. A megújuló energiaforrások közül a szélenergia, az ár-apály energia és a nap-fény energiája (napenergia) nyilvánvaló lehetőségként vetődik fel. A napenergia tűnik a legalkalmasabbnak, egyrészt amiatt, hogy időbeli és térbeli eloszlása kiszámíthatóbb, ugyanakkor tetemes mennyiségben áll rendelkezésre. Az a napenergia, amely a Föld felszínére minden percben érkezik, nagyobb, mint az egész emberiség éves energiafogyasztása. Nem mindennapi kihívás tehát az, hogy ennek az energiamennyiségnek akár a töredékét is hasznosíthassuk valamilyen berendezésben. El kellene tehát képzelnünk valamilyen berendezést, de milyen irányba is induljunk? Nézzük talán meg egy természetben már működő napenergiát 1


átalakító berendezés felépítését és működését (például a fotoszintetikus apparátust), és azt modellként felhasználva próbáljunk meg felépíteni egy mesterségeset! Nézzük meg, hogyan is működik az a berendezés, amit a természet évmilliók óta olyan sikeresen használ a napenergia megkötésére! A fotoszintézis - ahogyan „ők" csinálják A fotoszintetikus reakciócentrum egy pigment-protein komplex, amelyben a fehérjevázhoz oxidációra ill. redukcióra képes pigmentek (kofaktorok) kapcsolódnak. A legjobban a baktériumok reakciócentrumát ismerjük. Ez ugyan nem képes oxigént termelni a vízből, de a foton energiáját képes stabil töltéspár energiájává alakítani, és a leglényegesebb tulajdonságaiban megegyezik a növények 11. fotokémiai rendszerével.

1. ábra. A fotoszintetikus reakciócentrum egyes kofaktorainak (a) és a töltésstabilizálásra képes „triád"-molekula (b) energiadiagramja. A két rendszerben az energiaszintek ab-szolút értékükben különböznek, az összehasonlítás tehát csak kvalitatív. A folytonos vonal a töltésszétválasztást, a pontozott vonal a töltésrekombinációs utakat jelöli. A jelöléseket a szövegben értelmeztük. A fényelnyelés ebben a rendszerben is elektrongerjesztést jelent - egy klorofill-típusú pigment {bakterioklorofill dimer, (BChl)2, amit primer donornak (D) is hívnak) π-elektronja magasabb, be nem töltött molekulapályára kerül. Az így keletkező nagy redukálóerőt képviselő gerjesztett (BChl)2 rendszerről az elektron az egyre pozitívabb következő kofaktorokra kerül úgy, hogy közben néhány átmeneti állapoton keresztül stabil töltéspár, először (BCC)2+/QA-, majd (BCC)2+/QB- alakul ki (1. a ábra). Itt a (BChl2) a közben oxidálódott primer donort, a QA- és a QB- pedig a redukálódott, kinontípusú elsődleges illetve másodlagos akceptor-molekulákat jelenti. Az elektronok mozgását az egyes komponensek redoxpotenciáljában meglevő különbség irányítja úgy, hogy azok az egyre pozitívabb redoxpotenciálú rendszer felé haladnak. Ez egyben azt is jelenti, hogy a gerjesztés utáni töltésátmenetek során a szabadenergia-változás negatív, vagyis a töltéspár egyre inkább stabilizálódik. Fontos azt is észrevennünk, hogy ezek szerint az elektron-áramlás nagyon határozottan egyirányú. Ezt az egyirányúságot alapvetően a negatív szabadenergia-változás biztosítja. Előfordulhat azonban bizonyos valószínűséggel az, hogy az elektron a töltésszétválasztás után visszajut a primer donorra (ezt a folyamatot töltésrekombinációnak nevezzük, amely nyilvánvalóan csökkenti a stabilizálódás hatékonyságát, hiszen újra (BChl)2QAQB, alapállapotú rendszert eredményez). Ennek a rekombinációnak a valószínűsége nagyon kicsi, különösen az in vivo rendszerben. Az élő rendszerben ugyanis egy másodlagos donor nagyon gyorsan redukálja az oxidált primer donorunkat, még mielőtt az visszakapná az elektront a kinonmolekulától. Ezzel a folyamat gyakorlatilag egyirányúvá vált. Annak, hogy az oxidált primer donor gyorsan redukálódik, más, nagyon fontos jelentősége is van. Az oxidált (BChl)2 a növényekben ennek megfelelője a klorofill még inkább, rend-kívül veszélyes a fehérjekörnyezetre. Annak lebomlását, degradálódását okozza. Másrészről a töltésrekombináció után a reakciócentrum-klorofillok a gerjesztett állapot egyik igen agresszív formájába kerülhetnének, ami ugyanígy veszélyes lenne a környezetre. Gyors redukciója tehát a töltésstabilizálódás hatékonyságának növelése mellett egy védelmi mechanizmus is egyben. Az élő szervezetben a reakciócentrum-komplexhez fény-gyűjtő antennarendszer is kapcsolódik. Ennek működését a műholdvevők parabolaantennájának a működéséhez hasonlíthatnánk a legjobban. Nélküle a parabola fókuszában levő detektor ideje nagy részét csak azzal töltené, hogy várja egy hatékony rádiofotonnal való találkozását. A parabola a nagyobb felületén összegyűjti a rádiofotonokat, és a fókuszba koncentrálva juttatja a detektorhoz, megnövelve így az azzal való találkozás valószínűségét. A fotoszintetikus apparátusban is működik egy antennarendszer, ami az RC pigment-protein komplexhez továbbítja az összegyűjtött energiát. Ebben az antennarendszerben egyrészt több klorofillmolekula van, másrészt széles spektrumban elnyelő karotinoid-molekulák, amelyek így kiszélesítik a hasznosítható spektrum-tartományt. Ez a rendszer tehát töltéspár energiájává (Coulomb- és redoxpotenciállá) alakítja a legtisztább energiaforrás, a nap-fény energiáját. Meg tudnánk-e valósítani azt, hogy a rendszer egyes komponenseit izoláljuk, ezek után összerakjuk úgy, hogy egy mesterséges membránrendszerben is működjön? Meg bizony! A fotoszintetikus apparátus bármelyik komponense, így az RC-komplex és a fénygyűjtő LH-komplex (Light Harvesting) komplex is izolálható, tisztítható és a tisztított RCkomplex fény hatására töltésszétválasztást is végez. Sőt néhány komponensét már kristályos állapotban is előállították (Deisenhofer és mtsai, 1984, McDermott és mtsai, 1995). A töltéspár energiáját most már csak hasznos munka végzésére kell „rávennünk"! Ez azért nem olyan egyszerű. A fehérjét az evolúció olyan érzékeny berendezésnek „alkotta meg", hogy az élő szervezetből való kiszakítása után csak 2


viszonylag rövid ideig őrzi meg stabilitását. Az igazat megvallva a növényi szervezetben is a második fotokémiai rendszer egyik fehérjéje (az ún. Dl-protein) él a legrövidebb ideig, in vivo körülmények között is. Csak a növényi szervezet a lebomlott Dl-proteint nagyon gyorsan újraszintetizálja. Ha meg is valósítanánk egy ilyen berendezést, feltehetően nagyon gyakran kellene benne cserélni a „fehérjetöltetet", hiszen igen valószínűtlen, hogy egy ilyen berendezéssel még fehérjét is szintetizáltathatnánk. Az meg egyszerűen elképzelhetetlen, hogy a berendezés maga „szerelje össze" az alkatrészeit (vagyis a pigment-protein komplexeit). A felhasználókat nagyon nehéz lenne meggyőzni arról, hogy vásároljanak egy energia-átalakító berendezést, amiben a leglényegesebb alkatrészt sűrűn kellene cserélni, ráadásul elég drága is lenne ez a csere. Más nehézségek is adódnak. A fehérjék izolálása, tisztítása hosszadalmas, nagy szak-értelmet kíván, és nem is olyan olcsó dolog (főképpen a több komplexből álló membránfehérjéké, mint pl. a fotoszintetikus reakciócentrumé, vagy fénygyűjtő komplexé). Talán egy kicsit lehet optimalizálni, de nehezen képzelhető el drasztikus rövidítés mondjuk az idő- vagy anyagigényen. A legfontosabb azonban az, hogy a reakciócentrumot az evolúció nem makro-, hanem nanoméretekre „alkotta". Kisebb fényintenzitásokra, és kisebb teljesítményekre. Akkor tehát adjuk fel a terveinket? Ne adjuk fel! Nagyon sokat tanultunk a reakciócentrumtól! Hátha elő tudnánk állítani egy olyan mesterséges rendszert, amely nem annyira érzékeny, mint a reakciócentrum, képes a fény fotonjait elnyelni, és stabil töltéspárt létrehozni. Egy töltésszétválasztó mesterséges makromolekula Keressünk egy olyan molekulát, amely széles spektrumtartományban képes fényt elnyelni - ezek pl. lehetnek a karotinoidok. Majd egy olyat, ami ezt az energiát átveheti, és stabil gerjesztett állapotot hozhat létre. Ezt teszik a klorofillok a re-akciócentrumban. A klorofilloktól pedig kinonmolekulák veszik át az elektront. Milyen érdekes lenne ezeket összehozni egyetlen molekulába. A 2. ábrán ilyen molekulát mutatunk be! Ha megnézzük ennek a molekulának az energiaszint-rendszerét, akkor meglepő dolgot tapasztalunk. Az 1. b ábrán a karotinoidokat „C", a klorofill szerepét betöltő porfirin-egységet „P", a kinont „Q" jelöli. Kísértetiesen hasonlít a fotoszintetikus reakciócentrum kofaktorainak energiaszint-rendszeréhez. És ami számunkra nagyon fontos, képes stabil C+-P-Q" töltéspárt létrehozni (SteinbergYfrach és mtsai, 1997, 1998). Most már csak az a kérdés, hogy „munkára tudnánk-e fogni" ezt a rendszert? A kutatások eljutottak addig, hogy ez a „triád" molekula beültethető mesterséges lipidmembránba, hiszen van egy nagyon apoláros része, a karotinoid-molekula. A molekulának a lipidmembránba való beépülése sajnos nem irányított, hanem véletlenszerű, izotróp. Ez egy kis bonyodalmat okoz, hiszen mi azt szeretnénk, ha a töltésszétválasztás a membrán síkjára merőlegesen mindig azonos irányban történ-ne. Van azonban valamilyen lehetőség az orientációra. Meg-felelő orientáció után, ha ehhez a lipid-molekulakomplex rendszerhez membránban oldékony kinonmolekulákat adunk, akkor ez a mozgékony kinon, mint a fotoszintetikus membránban is, képes elektronokat átvenni a triádhoz kötött redukált kinonmolekuláktól és átszállítani a membrán másik oldalára. Itt visszaadja az elektront az oxidált karotinoidnak, rövidre zárva ezzel a kört. De ez még nem minden! Ha a kinon két elektronnal redukálódik, kémiai tulajdonságaiból következően ezt megteheti, akkor két protont ís felvesz a vizes fázisból, és ezekkel együtt átdiffundál a membrán másik oldalára. Ott az oxidációja után leadja a két protont, szintén a vizes fázisba. Folyamatosan tehát egy protongradiens jöhet létre, aminek az elektrokémiai potenciálja munkára fogható. Legújabban sikerült ebbe a rendszerbe ATP-áz fehérjekomplexet is beültetni, és ez a rendszer ATP-t szintetizált (Stemberg-Yfrach és mtsai, 1997,1998). Ez a példa nagyon jól igazolja, hogy létrehozható egy olyan mesterséges rendszer, amely a természet által jól kipróbált folyamatokat modellezi. Valószínű, hogy nem ez az a rendszer, ami az emberiség energiagondjainak megoldásában szóba kerülő technikai lehetőségként diadalmasan bevonul. Az viszont máris látszik, hogy az alapelvet a kutatók felismerték, modellezni tudták, és egy további, jól tanulmányozható rendszert hoztak létre. Sőt, sikerült létrehozni egy olyan összetett molekulát is, amely képes a hosszú élettartamú, környezetére igen ártalmas gerjesztett klorofillforma keletkezésének megakadályozására. Ehhez egy másik, igen érdekes nagy molekulát, fullerént kapcsoltak a porfirinvázhoz (Carbonera és mtsai, 1998), és így egy védelmi mechanizmust is „sikerült beépíteni" a molekulakomplexbe!

3


2. ábra. A töltésstabilizálásra képes „triád"-molekula felépítése. Az elektron- és töltéstranszfer irányát is jelöltük.

3. ábra. Egy félvezető napenergiacella vázlata. Az elektromos áram vezetésére alkalmas elektródüveg, a TiO2 félvezető és a szenzibilizátor festék együtt alkotja a fotoanódot. A katód szintén vezetőképes üveg. A „RED" és „OX" feliratok a redoxmediátor redukált és oxidált formáját jelölik.

Félvezetők alkalmazása Ma már életünk természetes részévé váltak azok a berendezések, amelyekben a napfény energiáját valamilyen elmés szer-kezet azok működtetésére alkalmas módon átalakítja. Ez a legtöbb esetben valamilyen fotoelektromos energiaátalakító berendezéssel történik. Bizonyára nem gondolunk a félvezetők vezetőképességének fizikai alapjaira, amikor működtetjük a zsebszámológépünket, fényképezőgépünket. Ilyen napelemek már nemcsak sapkákba beépített ventilátorokat, hanem autókat is működtetnek, de lakóházak, űrállomások energiaellátását is megoldhatják. Sokféle félvezető alkalmazható, és ezzel a földfelszínre érkező napsugárzás spektrumához és az alkalmazandó berendezéshez a legjobban megfelelőt választhatjuk ki. Így például a titán-dioxid a látható spektrum legelején, a kék fényre, a kadmiumszulfid a zöld fényre (a földfelszínre érkező napsugárzás intenzitás-maximumához, kb. 560 nm-hez közel), a galliumarzenid a távoli vörösre, az igen gyakran alkalmazott szilikon a közeli infravörösre érzékeny. Ezekben a berendezésekben a fény biztosítja azt az aktiválási energiát, amelynek hatására a vezetési sávba kerülhetnek elektronok. Több megoldandó feladat is felvetődik, amelyek közül csak kettőt említünk itt. Sajnos ezeknek, a celláknak a hatékonysága igen alacsony, 8-11% körül van, amit célszerű lenne növelni. Ehhez képest viszont igen drágák (néhány száz dollár négyzetméterenként). Ott azért nem tartunk még, hogy a fotoszintetikus apparátus segítségével gyökeresen megnöveltük volna e berendezések működésének hatékonyságát, de az elmés kísérletekből sokat tanultunk már. Grátzel és munkatársainak sikerült olyan be-rendezést készítettünk, amely technikailag egyszerűbb, mint a hagyományos napelem, ezért olcsóbb az előállítása is (Kay és Grátzel, 1993). Működésének alapja a fotoszintézis primer folyamatainak tanulmányozásából következett. Megnövelhetjük egy napelem hatékonyságát, ha a fotoanódhoz kapcsolódó félvezető felszínére monomolekuláris festék-réteget adszorbeáltatunk. A félvezető kristályok rendszerint keskeny sávban nyelik el a fényt, a gerjesztés diszkrét energiaszinteket érint. Hogyan lehetne szélesíteni a hasznosítható hullámhossztartományt? Olyan festéket kell választanunk, amely viszonylag széles spektrumban gerjeszthető, és képes a gerjesztett elektronokat a félvezető vezetési sávjának energia-szintjére emelni (3. ábra). Ezeket az alapokat már megtanultuk a „fotoszintézistől". Az is nyilvánvaló volt, hogy a klorofill az elsők között volt a kipróbált festékek sorában, hiszen megfelel ezeknek a kívánalmaknak. Sajnos azonban igen labilis molekula, komoly árat fizet ezért a működéséért. Fény jelen-létében gyorsan degradálódik. Több festéket is kipróbáltak, és a legjobbnak egy szintetikus molekula bizonyult, amely stabil volt és abszorpciós sajátságai is megfelelőek voltak. (Ez a vegyület a cis(SCN)2-(4,4'-dikarboxi-2,2'-bipiridin)-ruthénium). Az abszorbeált foton a festék egy elektronját az első legalacsonyabb be nem töltött molekulapályára emeli. Innen az elektron a TiO2 félvezető vezetési sávjába kerül, ahonnan a töltés-rekombináció valószínűsége viszonylag kicsi. (Vagyis kicsi annak a valószínűsége, hogy az elektron visszakerüljön a festékmolekulára, mint ahogyan kicsi a fotoszintetikus elektrontranszport-láncban is.) Most már csak azt kell megoldanunk, hogy az oxidálódott festéket visszaredukáljuk, vagyis regeneráljuk, amit oldható redoxmediátor közbeiktatásával egy katódról megtehetünk. A katód és az anód közé fogyasztót kapcsolva, máris munkát végeztethetünk a rendszerrel. A meg-oldás nagyon elmés, jól felhasználja a fotoszintézis alapjairól szerzett ismereteinket. Sajnos a hatékonysága még kb. ugyanakkora, mint a hagyományos napelemeké, de árát figyelembe véve (ami alacsonyabb) biztató az alkalmazási lehetősége. Antenna-cellák Már volt szó arról, hogy fénygyűjtő pigment-protein komplexek megnövelhetik a fényabszorpció valószínűségét, és kiszélesíthetik a hasznosítható spektrumtartományt. Ezekben a komplexekben a kromoforok közötti energiatranszfer 4


olyan irányú, amely lehetővé teszi a gerjesztési energia reakciócentrum felé történő áramlását. Az egyes pigmentek abszorpciós tulajdonságai olyanok, hogy azok egy meghatározott „energia-gradienst" hoznak létre a gerjesztés után. In vivo rendszerekben a reakciócentrum és az antennapigmentek között normális esetben nem történik elektronátadás. (Láttuk azonban, hogy a C-P-Q triádban a karotinoid-molekula elektront is átadhat a porfirinnek.) A legújabb krisztallográfiai vizsgálatok azt mutatták, hogy a fénygyűjtő pigment-protein rendszerben a pigmentek elrendeződése olyan, hogy biztosítja az elnyelt fényenergia komplexen belüli lehető leggyorsabb eloszlását, és a komplexek közötti „energiagradiens" menti transzportálását. Ezt egy igen nagyfokú szimmetriával tudja az élő rendszer elérni. Elő lehetne-e állítani egy olyan mesterséges antenna-rendszert, ami ilyen nagyfokú szimmetriával rendelkezik, nagy hatékonysággal abszorbeál fényt, és benne az energia egy köz-ponti „energiacsapda" felé koncentrálódva áramlik? Vannak biztató lépések! Wagner és munkatársai előállítottak egy cink-tartalmú tetra-aril-porfírin-származékot, ami egy központi porfirinhoz kapcsolódik etilénhidakkal (Wagner és mtsai, 1996). Ebben a rendszerben a Zn-porfirin szolgál főképpen fényelnyelő pigmentként, és az elnyelt fényenergia a központi porfirin felé áramlik. A rendszer kvantumhatásfoka nagyobb, mint 90%!! Miután a bíborbaktériumok fénygyűjtő pigment-protein komplexének kristályszerkezete is ismertté vált (legalább is az egyik baktériumtörzs esetében), a kutatók olyan rendszerek létrehozását is elkezdték, amelyben porfirinszármazékokat kapcsoltak össze olyan szimmetrikus rendszerekké, mint ahogyan az az élő szervezetben is van. Ezeknek a makromolekula-rendszereknek a vizsgálata még csak napjainkban kezdődött, ezért korai lenne ujjongani, hogy megtaláltuk, amit kerestünk energiagondjaink megoldására. A fotoszintetikus apparátus (itt a reakciócentrumot és a fény-gyűjtő komplexet tárgyaltuk) tehát sok mindenre megtanított bennünket. A tanulás folyamatos, egészen biztos, hogy sok tanulnivaló van még, de ma már tudjuk a következőket: olyan rendszert kell megalkotnunk, ami széles spektrumban nyeli el a fényt, képes energiatranszportot megvalósítani, vagyis energiavándorlás lehessen benne egy központi energiacsapda felé. Az elnyelt fotonenergiát stabil töltéspár létrehozására fordít-hassuk, egyirányú elektrontranszportot tudjunk létrehozni. Növelhetjük a hatékonyságot, ha megvédjük a rendszerünket a fotooxidációtól. Három lehetséges irányt mutattunk be arra vonatkozóan, hogy hogyan lehet a fotoszintézis primer folyamataiból, mond-hatnánk azt is, a fotoszintézis makromolekuláitól tanulva a fotoelektromos, - fotokémiai energiaátalakítást mesterséges rendszerekben megvalósítani. Mindegyik irány kísérleti stádiumban van még, bár láttuk, hogy különböző fejlettségi állapotokban. Talán a Grátzel-féle fotoelektromos cella az, ami a legjobban kidolgozott már, de drasztikusan valószínűleg nem fog változást előidézni egyhamar az energiagazdálkodásunkban. A technológusok bizonyára sok kérdést fel tudnának tenni. A molekuláris biológus, biofizikus számára nagy kihívást jelentene egy olyan rendszer megalkotása, amelyben a reakciócent-rum és a fénygyűjtő komplex alapvető tulajdonságait együttesen tanulmányozhatná. Azt sem szabad elfelejtenünk, hogy ezekben a rendszerekben a kromoforok, redoxaktív kofaktorok, fehérjékhez kapcsolódva működnek. A fehérjék nem-csak egyszerűen a vázát adják a pigment-protein rendszereknek, hanem azokkal funkcionális egységet is alkotnak. Dinamikájukkal, térszerkezetüknek az elektrontranszporttal, energiatranszferrel együtt való megváltozásával modulálják az elektron- illetve energiatranszfer hatékonyságát, kinetikáját. Lehet, hogy egyszer a kémikusok képesek lesznek megalkotni olyan rendszert is, amely e faladatok ellátására is alkalmas lesz? 1999. évi cikkpályázatunk III. díjas munkája A szerzők köszönik az OTKA, OM FKFP, NATO és CNR támogatásait, amelyeket kutatásaikhoz, utazásaikhoz nyújtottak.

5

NAGY LÁSZLO - MASSIMO TROTTA Tanulhatunk-e a molekuláktól?

Recommend Documents