پژوهش‌گران موفق شده‌اند تا ویروسی را که به طریق ژنتیکی مهندسی شده به منظور بهینه‌سازیِ انتقال انرژی در مواد آلی مورد استفاده قرار دهند. این پژوهش که توسط دانش‌مندانی از ایالات متحده و ایتالیا انجام یافته بینش مفیدی به انتقال انرژی در فوتوسنتز داشته و می‌تواند کاربردهای صنعتی همچون سلول‌های خورشیدی٬ حسگرها و تشخیص‌های پزشکی نیز داشته باشد.

گیاهان و سلول‌های فوتوولتائیِ آلی انرژی را از نور خورشید توسط مولکول‌هایی موسوم به کروموفُر(chromophore) می‌گیرند. وقتی نور به یک کروموفُر برخورد می‌کند یک جفت الکترون-حفره‌ی مقید بنام اکسیتون ایجاد می‌شود. این اکسیتون سپس در کروموفُر‌های همسایه پخش می‌شود تا زمانی که به یک گیرنده برسد. در ماده‌ی گیرنده اکسیتون‌ها جمع شده و به منظور ایجاد ولتاژ جداسازی می‌شوند. اگر بتوان شانس رسیدن اکسیتون به ماده‌ی گیرنده را (قبل از بازترکیب الکترون و حفره‌) بیشینه ساخت٬ بازدهیِ سلول فوتوولتائی آلی بهبود بخشیده می‌شود. بازترکیب پدیده‌ای است که در آن اکسیتون از بین می‌رود و انرژیش به شکل حرارت هدر می رود.

فرونشانی و واپاشی

اگر کروموفُرها به هم‌دیگر مقید نباشند اکسیتون‌ها می‌توانند ۴ نانوثانیه به حیات خود ادامه دهند. وقتی دانشمندان ساختارهای مصنوعی را با به کنارهم آوردن کروموفُرها ایجاد می‌کنند اکسیتون‌ها همدیگر را فرونشانی (quench) کرده و معمولاً در مدت زمان ۵۰۰ پیکوثانیه واپاشی می‌کنند که تقریباً هشت برابر سریع‌تر از کروموفُرهای غیرمقید است. این پدیده که در دهه‌ی ۱۹۶۰ توسط شیمی‌دانی به نام جورج پورتر کشف شد به خوبی درک نشده است. گیاهان چنان مدیریت شده‌اند تا ساختارهایی ایجاد کنند که تاحدودی از این واپاشی سریع جلوگیری می‌کند. در نتیجه درک و فهم اینکه چرا اکسیتون‌ها در فوتوسنتزهای طبیعی عمر بیشتری می‌کنند و استفاده از این دانش برای بهبود سیستم‌های مصنوعی یک هدف مهم به حساب می‌آید.

پژوهش‌گران به شکل سنتی انتشار اکسیتون‌ها مابین کروموفُرها را با استفاده از مکانیزیمی موسوم به انتقال انرژی تشدید فورستر (Förster resonance energy transfer) مدل‌سازی کرده‌اند. در این مکانیزم اکسیتون‌ها بین کروموفُرها در یک پیمایش نیمه‌کلاسیکی پرش‌هایی را انجام می‌دهند. در سال ۲۰۰۹ پژوهش‌گرانی به رهبریِ آلان اسپورو-گزیک (Alán Aspuru-Guzik ) از دانشگاه هاروارد به شکل نظری اثبات کردند که اگر کروموفُرها به حد کافی بهم نزدیک باشند٬ اکسیون‌ها قادرند در میان کروموفُرهای چندگانه ناجایگزیده شوند که این موضوع به ارتقاء ویژگی‌های انتقال منجر می‌شود؛ چیزی‌که بازدهیِ طبیعیِ انتقال اکسیتون در فوتوسنتز را توضیح می‌دهد.

در یک پژوهش جدید٬ سز لورد ( Seth Lloyd ) (که با آسپورو گزیک در پژوهش سال ۲۰۰۹ کار کرده بود)٬ آنژلا بلچر (Angela Belcher ) و همکارانشان در موسسه‌ی فناوری ماساچوست و موسسات مختلف در ایتالیا شبکه‌هایی از کروموفُرها را ایجاد کرده‌اند تا به آزمایش این فرضیه بپردازند.

جداسازی با تنظیم‌پذیری کوچک

این شبکه‌ها توسط باکتری‌خوار M13 تولید شده‌اند که باکتری‌ها را آلوده می‌سازد. مفید بودن این ویروس در توسعه‌ی فناوری‌هایی شامل حسگرها٬ تشخیص‌های پزشکی و سلول‌های خورشیدی به اثبات رسیده است٬ چون این ویروس‌ها قادرند خود را در درون نانوساختارهایی موسوم به پلاک‌های ویروسی خودآرایی کنند. این ویروس پروتئینی بر روی سطح خود دارد که pVIII نامیده شده و می‌تواند موجب پیوند کروموفُرها شود. بلچر و همکارانش به شکل ژنتیکی مجموعه‌ی آمینواسیدهای این پروتئین را دچار تغییراتی کرده‌اند تا فاصله‌ی بین این حالات پیوندی را تنظیم کنند. در اولین ویروس (موسوم به M13CF) که آن‌ها تولید کردند فاصله‌ی بین حالات پیوندی حدود ۳۳ آنگستروم بود. این فاصله به حدکافی دورتر از چیزی بود که نظریه پیش‌بینی می‌کرد. در ویروس دوم (M13SF) این فاصله تنها ۱۰ آنگستروم شده بود. در این فاصله نظریه پیش‌بینی می‌کند که حالات کوانتومی غیرجایگزیده که کروموفُرهای چندگانه را پدید می‌آورند در انتقال اکسیتون‌ها درگیر باشند.

این پژوهش‌گران «نانوآنتن‌هایی» از دو نوع از ویروس‌ها تولید کرده‌ و آن‌ها را در محلول‌هایی شامل دو نوع کروموفُر غوطه‌ور ساخته‌اند. یک نوع به عنوان «دهنده» عمل می‌کند و وقتی فوتون با آن برخورد می‌کند اکسیتون تولید می‌کند و دیگری به عنوان «گیرنده» عمل کرده و اکسیتون‌ها را از دهنده‌های مجاور جمع‌آوری می‌کند و زمانی که تحریک می‌شوند نور فلورسانس گسیل می‌کند. آن‌ها این نانوآنتن‌ها را با شدت نور ثابت تحت تابش قرار داده و شدتِ فلورسانس را اندازه گرفته‌اند. این کار باعث می‌شود تعداد اکسیتون‌هایی که با موفقیت به گیرنده رسیده‌اند آشکار شود. محققان از این نتایج برای محاسبه‌ی فاصله‌ای که اکسیتون‌ها قادرند در دو نوع از نانوساختارها پخش شوند استفاده می‌کنند.

پژوهش‌گران دریافتند که نزدیک‌ کردن کروموفُرها بهمدیگر طول‌عمر اکسیتون‌ها را از ۴۴۲ پیکوثانیه در کلون M13CF به ۱۲۲ پیکوثانیه در کلون M13SF کاهش می‌دهد. با این حال این کاهش بیش از آن‌چیزی است که در انتقالِ سریع‌تر رخ می‌دهد و به یک تک‌گیرنده در M13SF که در فاصله‌ی نزدیک‌تری قرار گرفته اجازه می‌دهد تا اکسیتون‌ها را چهار برابرِ اثر دهنده‌ها در M13CF دریافت کند.

طرح‌های آتی

پترا اسکودو (Petra Scudo) از موسسه‌ی انی دونیگانی (Eni Donegani Institute) توضیح می‌دهد که هدف این تیم تکرار انتقال کوانتومیِ کارآمدی است که در فوتوسنتز مشاهده شده است. به بیان وی: «در گام دوم باید ببینیم آیا داشتن طول پخشِ بلندتر برای اکسیتون به منظور ایجاد یک کاتالیست و قراردادن این نانوآنتن‌ها در سلول‌های خورشیدی مفید است یا نه و باید دید که آیا راندمان افزایش می‌یابد یا نه».

ریینک وان گروندل (Rienk van Grondelle) زیست‌فیزیک‌دانی از UV آمستردام در این مورد تردید دارد با این حال می‌گوید: «آن‌ها مقایسه‌ای با فوتوسنتز را فراهم کرده‌اند. اما در فوتوسنتز٬ این نوع از ساختارهای چگال ]از کروموفُرها را[ بدون فرونشانیِ (quenching) فلورسانس ساخته می‌شوند. طول‌عمری که اینجا دیده می‌شود فاکتوری از ۳۰ ]کوتاه‌تر[ است بنابراین اساساً همه‌ی فلورسانس از دست می‌رود ... آن‌ها در تلاش برای دست‌یابی به  چیز درستی هستند اما با آن‌چه در حال انجام آن هستند به این هدف نمی‌رسند».

درباره‌ی نویسنده:

تیم وگان (Tim Wogan) نویسنده‌ی علمی از انگلستان است.  

منبع:

Genetic engineering boosts energy transport in artificial photosynthesis