DNA iskeleleri ile yapılan yeni yapılar, güneş enerjisi malzemeleri oluşturmak için kullanılabilir.
DNA iskelesinde düzenlenen yapay pigmentler ile doğal olarak oluşan fotosentetik yapıların yapısını yakından taklit eden malzeme tasarladı.
Araştırmacılar, bu sentetik maddenin ışığı absorbe edebildiğini, enerjisini kesin olarak kontrol edilen yollar boyunca verimli bir şekilde aktardığını gösterdi. MIT’de biyoloji mühendisliği birimi profesörü olan Mark Bathe, bu tür bir yapının, cam veya tekstil gibi materyallerin içine eklenerek güneşten gelen enerjiyi hasat edebileceğini veya kontrol edebileceğini belirtti.
Bathe, “Sistemin bakteriyel sistemlerde olduğu gibi, nanometre ölçeğinde mekansal olarak yoğun şekilde düzenlenmiş, yoğun boyalı kümelerden oluşan doğal ışık toplama devresinin tamamen sentetik bir taklidinin ilk gösterimi” diyor. Bir nanometre, bir metrenin milyarda biri veya bir insan saçı kalınlığının 1 / 10.000’idir.
Bathe, Harvard Üniversitesi’nde kimya ve kimya biyolojisi profesörü Alan Aspuru-Guzik ve Arizona Devlet Üniversitesi’nde kimya ve biyokimya profesörü olan Hao Yan’ın da bulunduğu yeni araştırmanın yazarlarından biridir. Nature Materials’ın 13 Kasım sayısında yer alan yazının başlıca yazarları MIT postdoc Etienne Boulais, Harvard lisansüstü öğrencisi Nicolas Sawaya ve MIT postdoc Rémi Veneziano’dur.
Işık yakalama
Milyarlarca yıldır bitkiler ve fotosentetik bakteriler güneşten enerji toplarken verimli hücresel yapılar geliştirdiler. Bu işlem sırasında, fotonları yakalamak (ışık enerjisi paketleri) ve bunları exciton’lara dönüştürdüler. Bu exciton’lardan gelen enerji, daha sonra bir reaksiyon merkezi olarak bilinen bir protein ve pigmentlerin kompleksindeki diğer moleküllere geçmekte ve sonunda bitki tarafından şeker molekülleri oluşturulması için kullanılmaktadır.
Bilim insanları, elektronları (yarı iletkenler gibi) ve fotonları (fiber optik) taşımak için güvenilir teknikler geliştirirken, exciton’ları kontrol altına almanın yollarını bulmak onlar için daha zorlayıcı.
Dört yıl önce, Bathe, Aspuru-Guzik ve Yan, doğal ışık hasat gruplarını taklit edebilecek sentetik yapılar üzerinde çalışmaya başladı. Genellikle kloroplast olarak adlandırılan hücre organellerinde bulunan bu gruplar, nanometre boyutunda güneş enerjisini etkin bir şekilde yakalar ve nakleden karmaşık bir yapıya sahiptir.
Makalenin yazarı olan MIT asistanı Gabriela Schlau-Cohen, “Fotosentetik ışık hasatıyla gerçekten şaşırtıcı olan şey, organizmanın ihtiyaçlarını ne kadar iyi karşıladığı” diyor. “Gerekli olduğunda, absorbe edilen her foton reaksiyon merkezi çevreleyen protein ağı vasıtasıyla elektrik üretmek için göç edebilir.”
Araştırmacılar, DNA’dan yapılmış iskele çalışmalarına, ışık hasat eden pigmentler ekleyerek bu yapıları taklit etmeye çalıştılar. Bathe’nin laboratuarı, son birkaç yıldır DNA’yı belirli şekillerde katlamak için yeni yollar geliştirdi ve geçen yıl Bathe ve arkadaşları, neredeyse çeşitli DNA iskelesi tasarlama sürecini otomatikleştiren yeni bir bilgisayar programlama aracı oluşturdu.
Bu araştırmada, araştırmacılar, doğada bulunan pigmentlere benzer yoğun pigmentli yoğun pigmentli kümeleri mekansal olarak organize etmek için DNA iskeleleri kullanmak istediler. Boulais, 1977’de araştırmacılar tarafından aranan bir yapıyı oluşturmak için doğal olarak oluşan DNA dizilerine psödoizosiyanin (PIC) adı verilen sentetik bir pigmentin toplandığını gösterdi. Bununla birlikte, bu yaklaşımda doğal olarak oluşan DNA kullandığından, kümelerin aralık, boyut veya 3 boyutlu uzamsal organizasyonunu kontrol etmenin hiçbir yolu yoktu.
Veneziano ve araştırmacılar bu J-agregaların sentetik DNA kullanarak farklı 2-B organizasyonlarına sahip ayrı kümeler halinde şablon haline getirme yeteneğini test etti ve Boulais ve Sawaya, bu agregaları kullanarak fotonları absorp eden ve nakledilen devreler haline getiren, özelleştirilebilir, sentetik DNA iskeleleri oluşturmaya çalıştılar. Belirli DNA sekanslarını programlayarak, araştırmacılar katı, çift sarmallı DNA iskeletinde duran boya moleküllerinin kümelerinin kesin yerini ve yoğunluğunu kontrol edebilir. Hesaplamalı olarak, boya molekülleri sayısı, yönleri ve aralarındaki mesafeler gibi faktörlerin, elde edilen devrelerin verimliliğini nasıl etkileyeceğini, devrelerin birçok versiyonunu enerji aktarım verimliliği açısından analiz ederek nasıl hesapladılar.
“Fotosentetik organizmalar ışık hasat moleküllerini tam bir protein iskeleti kullanarak organize ediyorlar. Şimdiye kadar, bu tür yapısal kontrolleri sentetik sistemlerde gerçekleştirmek zordu. Princeton Üniversitesi’nden kimya profesörü Gregory Scholes, DNA origami, fotosentetik ışık hasat komplekslerinin prensiplerinin bir çoğunu taklit etmek için bir araç sunuyor “diyor araştırmaya dahil olmadığını belirtiyor.
Su Lin tarafından yönetilen ASU ekibinin bir kısmı, tasarlanan DNA yapılarının istenen J-agregatlarını ürettiğini ve bunların fotofiziksel özelliklerini tanımladığını göstermek için bir dizi spektroskopik ölçüm gerçekleştirdi. Doğal ve sentetik ışık hasat sistemlerini analiz etmek için gelişmiş spektroskopi teknikleri kullanan Schlau-Cohen, bu yoğun pigment moleküllerinin ışık enerjisini etkili bir şekilde absorbe edebildiğini ve belirli yolaklar boyunca taşımayı başarabildiğini gösterdi.
Bathe. “J-agrega boyaları kullanarak trafik modellerini kontrol etme yeteneğini sergiledik, excitonların ne kadar yol kat edebileceğini değil. Bu önemli, çünkü işlevsel malzemeler için bu devrelerin tasarımında çok yönlülük sunuyor “diyor
Yeni malzemeler
Araştırmacılar, bu sentetik yapıların cam veya tekstil gibi 2 ve 3 boyutlu materyallere entegre edilebileceğine inanıyor ve bu materyalleri güneş ışığını emme ve bunu elektrik gibi diğer enerji biçimlerine dönüştürme yeteneği vermek için kullanmayı planlıyor. Yapılar, kuantum mantık geçitleri gibi eksitik devreleri kullanarak nano ölçekte uygulanan kuantum bilgisayarlar için de yeni bir temel oluşturabilir.
Araştırmacılar şu anda, bu sentetik hafif hasat sistemlerini daha da iyi hale getirmenin yollarını arıyor. Buna, Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi’nde yeni ilan edilen Max Weaver Dye Library’de 98.000 benzersiz boyaya sahip olan daha etkili pigmentler aramak da dahildir.
Schlau-Cohen, “Hala bunu iyileştirmeyi hayal edebildiğimiz bir çok yol var” dedi. Schlau-Cohen, ayrıca, “Düzensiz bir materyalde enerjiyi nasıl verimli bir şekilde taşıyabileceğimizin temel bilim sorularını keşfetmek için bireysel molekül parametrelerini kontrol etme kabiliyetimiz var”. dedi.
Araştırma ABD Savunma Bakanlığı’nın Çok Disiplinli Üniversite Araştırma Girişimi, MIT’nin Excitonics Merkezi, Deniz Araştırmaları Bürosu, Smith Ailesi Lisansüstü Bilim ve Mühendislik Bursu ve Doğal Bilimler ve Mühendislik Araştırma Konseyi aracılığıyla ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edildi.
Kaynak : Tıkla
Bu makaleyi 5 dakikada okuyabilirsiniz.
Moleküler Biyoloji ve Genetik