植物生物學的核心化學反應途徑已經(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，科學家將兩種膜結(jié)合蛋白復合物結(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催化劑。然而，這部分反應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)您想要的化學反應，”Argonne化學家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反應，”她說。

另一項改進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。