biotechnologia


 
 

Prądotwórcze bakterie

<img src="http://e-biotechnologia.pl/obrazki/bakterie.jpg" align="left" alt="bakterie" HSPACE=5 VSPACE=5 />Od połowy dziewiętnastego wieku wiadomo, jak wygląda podstawowe równanie fotosyntezy. Nadeszła pora, by dodać do niego jeszcze jeden element – nanotechnologię – i na nowo zacząć zastanawiać się nad możliwymi rozwiązaniami.


Autor: Mariusz Karwowski


Zmorą wszystkich amatorów morskich kąpieli są sinice. Latem potrafią naprawdę uprzykrzyć życie. Wystarczy kilka bezwietrznych, upalnych dni, aby te prymitywne jednokomórkowce dały o sobie znać. Ich zakwity powodują, że woda staje się mętna i zaczyna przypominać zupę szczawiową. To z powodu sinozielonego koloru, który nadają jej właśnie mnożące się w zawrotnym tempie sinice. O kąpaniu się można wtedy zapomnieć, i to nie tylko ze względów estetycznych, ale przede wszystkim zdrowotnych. Jednak to, co dla miłośników kąpieli jest przekleństwem, dla naukowców wręcz przeciwnie – stanowi wdzięczny temat do badań. I nie chodzi tu bynajmniej o możliwe sposoby poradzenia sobie z tym problemem. W każdym razie nie tylko o to. Kto wie, czy - szybciej niż w walce z tymi bakteriami - sukces nie przyjdzie… we współpracy z nimi. Na przykład w stworzeniu baterii słonecznych nowej generacji. Do tej pory pod tym chwytliwym hasłem, najogólniej określającym ogniwa dłużej pracujące i szybciej się ładujące, kryły się rozwiązania oparte na krzemie. Nikt nie wpadł na pomysł, by do tego celu wykorzystać energię słoneczną pozyskiwaną w procesie fotosyntezy przez rośliny, algi czy bakterie, choćby takie jak sinice. Wszystkie one zawierają chlorofil, który służy im do absorpcji kwantów światła, czyli fotonów. Jedyna różnica tkwi w zakresie ich wychwytywania. Rośliny i glony czerpią światło widzialne w najbardziej efektywnym zakresie, czyli od 400 do 700 nanometrów. Właśnie w tym paśmie znajduje się najwięcej energii słonecznej, którą można by wykorzystać. Tymczasem sinice absorbują podczerwień, a więc jedynie w zakresie powyżej 700 nanometrów. Żeby ten stosunkowo wąski zakres zwiększyć, trzeba połączyć układ fotosyntetyczny z nanostrukturami stworzonymi w laboratorium. Wypełnią one naturalne dziury pochłaniania światła słonecznego.

– Powstanie hybryda, która z taką samą wydajnością absorbować będzie zakres widma od niebieskiego do czerwonego. To będzie taki stepping stone – kamień, po którym przejdziemy na drugi brzeg rzeki – tłumaczy prof. Sebastian Maćkowski z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.

Natura do poprawki
Oczywiście, najłatwiej byłoby zająć się roślinami, które pochłaniają najwięcej światła słonecznego. Wówczas sztuczne struktury z nanomateriałów tylko by tę absorpcję wzmocniły. Problem tkwi jednak w tym, że fotosystemy znajdujące się np. w liściach zawierają kilkaset różnego rodzaju chlorofili, które ze sobą oddziałują. Te układy są więc dużo bardziej skomplikowane i trudniejsze do opisania niż u prostych prokariotów, jakimi są sinice. One swoją niedoskonałość w absorpcji światła słonecznego rekompensują w pewien sposób prostą nad wyraz budową. A ową niedoskonałość zawdzięczają… ewolucji. Żyjąc w głębinach oceanów musiały znaleźć sposób na „złapanie” światła, którego po drodze nie przejmowałyby organizmy funkcjonujące na powierzchni, np. algi. Opracowały więc strategię przechwytywania podczerwieni. Większego wyboru zresztą nie miały. Światło widzialne do ich środowiska życia nie docierało. W pewnym sensie zostały przez naturę upośledzone. Naukowcy z Torunia zamierzają więc przyrodę niejako poprawić. Oczywiście na tyle, na ile jest to konieczne.

– Natura jest wprawdzie dobrze prosperującym przedsiębiorstwem, ale my się tym nie zadowalamy. Chcemy znaleźć optymalne warunki do zwiększenia prądu – chcemy pokazać, że ten prąd będzie większy, gdy stworzy się strukturę hybrydową. Bo jeśli weźmiemy sam fotosystem, otrzymamy jedynie to, co daje przyroda. Dlatego właśnie trzeba ten fotosystem „udekorować” nanostrukturami nieorganicznymi.

Metalowe wąsy
Już samo stworzenie takich nanostruktur jest nie lada problemem. W końcu „nano-” oznacza miliardową część całości. Jedną dziesiątą metra łatwo sobie wyobrazić, jedną setną – także. Ale jedną miliardową? Z pomocą zwrócono się do Nicka Kotova z Uniwersytetu w Michigan. Nie odmówił. Pierwsze nanokryształy półprzewodnikowe – głównie telurek kadmu i selenek kadmu – oraz nanocząstki metaliczne ze złota i srebra, pochodziły właśnie od niego. Teraz tworzy się takie i w Toruniu, w specjalnie do tego celu uruchomionym laboratorium. Powstają istne cuda, o różnej geometrii i wielkości, a co za tym idzie – odmiennych własnościach optycznych. Stosunkowo najprościej idzie z kulkami. Ale powstają też pręciki, trójkąciki, a nawet… metalowe wąsy o średnicy 50 nanometrów i długości 50 mikrometrów. Wszystkie one, oglądane pod mikroskopem i ułożone obok siebie, przypominają misternie skomponowaną mozaikę. Różnorodność układów, które naukowcy są w stanie wytworzyć w laboratorium, daje sporo możliwości, jeśli chodzi o pole elektromagnetyczne, jego wzbudzanie, kontrolę… Zwłaszcza ta ostatnia jest niezwykle ważna. To słowo-klucz w nanotechnologii.

– Technologia to jest coś, co kontrolujemy, a nanotechnologia to coś, co kontrolujemy w skali nano. Jeśli taki pręcik połączymy z układem biologicznym, to dobrze wiedzieć, co się wtedy będzie działo – prof. Maćkowski pokazuje kompleks fotosyntetyczny z sinicy.

Na pierwszy rzut oka przypomina on beczkę stworzoną z „tańczących” chlorofili. Oprócz nich są też karotenoidy, pełniące rolę protektorów tych chlorofili. Ta ochrona jest o tyle ważna, że właśnie dzięki chlorofilom bakteria w pierwszym etapie fotosyntezy jest w stanie zebrać określoną ilość światła. Energia słoneczna przekazywana jest do centrum reakcyjnego fotoukładu, gdzie następuje wybicie elektronu. Jeżeli układy fotosyntetyczne otoczy się nanostrukturami, będą one automatycznie absorbowały więcej energii – absorpcje nałożą się jedna na drugą – a tym samym i elektronów w takim układzie hybrydowym będzie generowanych więcej. Po przyłożeniu do niego odpowiedniego napięcia elektrony będą stanowiły prąd elektryczny. W ramach czteroletniego projektu Welcome, finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, w Toruniu, za pomocą spektroskopii pojedynczych molekuł próbują łączyć między innymi wspomniane pręciki ze strukturami biologicznymi, tworząc układy hybrydowe. Możliwie jak najwięcej takich układów, bo chodzi o statystykę ich własności. Nie robią tego jednak metodą wrzucania do jednego kotła struktury białkowej, cząstek z metalu i z półprzewodników, mieszania tego wszystkiego i zastanawiania się, co jest dobrze, a co źle. Wybrali opcję „step by step”, czyli optymalizowania poszczególnych etapów, wykorzystywania na bieżąco zdobytej wiedzy. Polskim badaczom pomaga prof. Sasha Govorov, specjalista-teoretyk układów hybrydowych z uniwersytetu w Ohio. Próbki trafiają najpierw pod mikroskop fluorescencyjny, pod którym widać nawet świecenie obiektów mniejszych niż dziesięcionanometrowe. Po ich naświetleniu mierzy się emisję i analizuje różne jej własności. Takie widmo charakteryzuje się bowiem określoną energią, kształtem, czasem zaniku… Parametry te dostarczają wielu cennych informacji.

– Naszą pracę nazywam inżynierią strukturalno-widmową, bo dopasowujemy te pasma tak, aby w pewnym momencie się zazębiły. Nanokryształy absorbują światło o długości fali do 400 nanometrów. Dla roślin, które chwytają światło widzialne i dla bakterii, które z kolei nieźle radzą sobie w podczerwieni, połączenie z taką nanostrukturą byłoby idealnym poszerzeniem zakresu widmowego – wyjaśnia prof. Maćkowski, dodając jednocześnie, że o ile rolą nanokryształów półprzewodnikowych będzie rozszerzenie obszaru pochłaniania światła, o tyle nanocząstki metaliczne wzmacniają – i to kilkakrotnie – już istniejącą absorpcję. Srebro ma wzmocnienie w okolicach światła niebieskiego (400-450 nanometrów), zaś złoto – od 550 w stronę czerwonego i jest wyjątkowo stabilne – nie utlenia się, słabo reaguje na siarczki, poza tym łatwo modyfikuje się jego powierzchnię. Srebro jest pod tym względem gorsze, ale z kolei jego synteza jest dużo bardziej niejednorodna, co pozwala uzyskać całą gamę różnych kształtów. Nie tylko kulek.

– Rośliny czy organizmy, które uczestniczą w fotosyntezie, wypracowały sobie wyrafinowane metody stabilizowania tych układów. Naszym zadaniem jest utrzymanie tej stabilności, gdy już dodamy do tego struktury stworzone w laboratorium. Chcemy bowiem, żeby układy naturalne absorbowały lepiej i więcej.


Pełny tekst: kliknij tutaj
Fragment zamieszczony dzięki uprzejmości Redakcji Forum Akademickiego


Menu główne

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

162 anonymous users oraz 0 registered users online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u