Ученые синтезировали и соединили биологические и технические материалы для того, чтобы получить из них водородное топливо.
Липидные нанодиски приспособили для получения водородного топлива
Исследователи из США при участии ученых из МФТИ собрали нанобиоконструкцию, которая под действием света производит водород из воды. Специалисты синтезировали нанодиски — круглые кусочки мембраны, состоящие из двойного слоя липидов, — со встроенным светочувствительным белком и соединили их с частицами фотокатализатора оксида титана TiO2. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
Профессор МФТИ, доктор химических наук и руководитель лаборатории химии и физики липидов Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ Владимир Чупин замечает: «Наши лаборатории, которые занимаются мембранными белками и, в частности, нанодисками, в основном ориентированы на биофизические, медицинские проблемы. Но вот недавняя работа с нашими американскими коллегами показывает, что, если соединить биологические и технические материалы, нанодиски можно использовать и для выделения водородного топлива».
Водород — один из лучших альтернативных источников энергии. При его сгорании образуется водяной пар, поэтому он не приносит вреда экологической обстановке. Кроме того, коэффициент полезного действия у водородного топлива (>45%) гораздо выше, чем у бензинового или дизельного (<35%). Крупные автомобильные компании, такие как, например, Toyota, Honda и BMW, уже производят автомобили на водородном топливе, однако в ограниченных масштабах. Производство водорода все еще остается затратным, в том числе и по электроэнергии. Поэтому ученые ищут способ получения водорода при помощи другого энергетического источника.
Водород можно получить из воды с помощью солнечной энергии. Для этого необходимо присутствие специального вещества — фотокатализатора. Наиболее распространенный фотокатализатор — TiO2. Сам по себе он недостаточно эффективен, поэтому ученые придумывают разные ухищрения: добавляют примеси, измельчают фотокатализатор до наночастиц и т. д. В Аргоннской национальной лаборатории (США) исследователи обратились к биологии и собрали наноконструкцию из TiO2 и белка бактериородопсина. Эти светочувствительные компоненты усиливают действие друг друга и образуют новую систему, функциональность которой намного превосходит набор свойств всех ее частей.
Бактериородопсин — светочувствительный белок, находящийся в мембране некоторых бактерий. (Вообще, таких белков достаточно много, в данном случае использовался белок бактерии Halobacterium salinarium). Одна часть белка выходит наружу клетки, а другая — внутрь клетки. Под действием солнечного света бактериородопсин начинает качать протоны из клетки в окружающую среду, что обеспечивает производство энергии в бактериальной клетке в виде АТФ. Заметим, что человек в сутки синтезирует около 70 кг АТФ.
Современные технологии позволяют синтезировать жизнь «в пробирке», без участия живых клеток. Для создания мембранных белков в искусственных условиях используют различные мембрано-моделирующие среды, в частности нанодиски. Нанодиск — это кусочек мембраны, собранный из фосфолипидов и опоясанный двумя молекулами специального белка. Размер диска зависит от длины этих белковых ремней. Мембранный белок, каковым является бактериородопсин, будет «чувствовать» себя в нанодиске как дома, в родной мембране, и сохранять свою естественную структуру. Эти чудо-конструкции используются для изучения структуры мембранных белков, для разработки лекарственных форм, а теперь их приспособили для фотокатализа. С помощью экспертов из МФТИ исследователи получили нанодиски диаметром 10 нанометров со встроенным бактериородопсином.
Нанодиски замешивали в водном растворе вместе с частицами TiO2 с платиновыми вкраплениями для большего эффекта (для фотокатализа). За одну ночь они сами прикрепились друг к другу. В данном случае бактериородопсин выполнял несколько функций. Во-первых, он был антенной, которая собирает свет и передает энергию TiO2, усиливая его фоточувствительность. Во-вторых, он переносил протоны, которые восстанавливались до водорода посредством платинового катализатора. Так как на восстановление затрачиваются электроны, ученые добавили в воду немного метилового спирта в качестве источника электронов. Смесь сначала поместили под зеленый свет, а потом — под белый. Во втором случае водорода получилось примерно в 74 раза больше. В среднем почти постоянное выделение водорода наблюдалось по меньшей мере 2–3 часа.
Раньше уже проводились опыты с подобной конструкцией, но там использовали натуральный бактериородопсин в натуральной мембране. Нанодиски попробовали впервые, и оказалось, что при их применении водорода выделяется столько же или даже больше, но при этом на такое же количество частиц TiO2 требуется меньше бактериородопсина. Исследователи предположили, что это связано с тем, что нанодиски строго одинаковые по размеру и компактные, и это позволяет им образовать больше связок. Хотя сейчас дешевле использовать натуральный бактериородопсин, возможно, развивающиеся методы синтеза жизни «в пробирке» вскоре сделают применение нанодисков более целесообразным.
