Al organizar pigmentos en un andamio de ADN, un equipo de investigadores liderado por MIT ha diseñado un material de recolección de luz que imita de cerca la estructura de las estructuras fotosintéticas naturales. Se podrían usar nuevas estructuras hechas con andamios de ADN para crear materiales con energía solar.
Al organizar pigmentos en un andamio de ADN, un equipo de investigadores liderado por MIT ha diseñado un material de recolección de luz que imita de cerca la estructura de las estructuras fotosintéticas naturales.
Los investigadores demostraron que su material sintético puede absorber la luz y transferir eficientemente su energía a través de vías controladas con precisión. Este tipo de estructura podría incorporarse a materiales como vidrio o textiles, lo que les permitiría cosechar o controlar la energía entrante de la luz solar, dice Mark Bathe, profesor asociado de ingeniería biológica en el MIT.
“Esta es la primera demostración de una imitación puramente sintética de un circuito de recolección de luz natural que consiste en grupos densos de tintes que están organizados de manera precisa a escala nanométrica, como se encuentra en los sistemas bacterianos”, dice Bathe. Un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro, o 1 / 10,000 del grosor de un cabello humano.
Bathe es uno de los autores principales del nuevo estudio, junto con Alan Aspuru-Guzik, profesor de química y biología química en la Universidad de Harvard, y Hao Yan, profesor de química y bioquímica en la Universidad Estatal de Arizona. Los autores principales del artículo, que aparece en la edición del 13 de noviembre de Nature Materials , son el ex postdoc Etienne Boulais del MIT, el estudiante graduado de Harvard Nicolas Sawaya, y el posdoctorado del MIT Rémi Veneziano.
Captura de luz
Durante miles de millones de años, las plantas y las bacterias fotosintéticas han desarrollado estructuras celulares eficientes para recolectar energía del sol. Este proceso requiere capturar fotones (paquetes de energía de luz) y convertirlos en excitones, un tipo especial de cuasipartícula que puede transportar energía. La energía de estos excitones se pasa luego a otras moléculas en un complejo de proteínas y pigmentos conocido como centro de reacción, y finalmente la planta las usa para construir moléculas de azúcar.
Si bien los científicos han desarrollado técnicas confiables para transportar electrones (como los semiconductores) y fotones (fibra óptica), la creación de formas de controlar los excitones ha demostrado ser más desafiante.
Hace cuatro años, Bathe, Aspuru-Guzik y Yan comenzaron a trabajar en estructuras sintéticas que podían imitar los ensambles de recolección de luz natural. Estas asambleas, que generalmente se encuentran en los orgánulos celulares llamados cloroplastos, tienen una estructura intrincada que captura y transporta eficientemente la energía solar a la escala de nanómetros.
“Lo que es realmente sorprendente de la recolección de luz fotosintética es qué tan bien satisface las necesidades del organismo”, dice Gabriela Schlau-Cohen, profesora asistente de química del MIT, que también es autora del artículo. “Cuando se requiere, cada fotón absorbido puede migrar a través de la red de proteínas que rodea el centro de reacción, para generar electricidad”.
Los investigadores se propusieron imitar estas estructuras mediante la unión de pigmentos de recolección de luz para estudiar andamios hechos de ADN. En los últimos años, el laboratorio de Bathe ha ideado nuevas formas de programar el ADN para doblar en formas particulares, y el año pasado Bathe y sus colegas crearon una nueva herramienta de programación informática que automatiza el proceso de diseño de andamios de ADN de casi cualquier forma.
Para este estudio, los investigadores querían utilizar andamios de ADN para organizar espacialmente agrupaciones densamente compactas de pigmentos similares a los encontrados en la naturaleza. Boulais encontró un documento de 1977 que mostraba que un pigmento sintético llamado pseudoisocianina (PIC) se agrega a secuencias específicas de ADN natural para formar el tipo de estructura que los investigadores estaban buscando, llamado un agregado de J. Sin embargo, debido a que este enfoque usó ADN natural, no hubo forma de controlar el espaciado, el tamaño o la organización espacial tridimensional de los conglomerados.
Veneziano probó la capacidad de los investigadores de moldear estos agregados J en clústeres discretos con distintas organizaciones bidimensionales que utilizan ADN sintético, y Boulais y Sawaya trabajaron para diseñar computacionalmente andamios de ADN sintéticos personalizables que organicen estos agregados en circuitos que absorban fotones y transporten el ADN. excitones resultantes a lo largo de un camino predecible. Mediante la programación de secuencias de ADN específicas, los investigadores pueden controlar la ubicación precisa y la densidad de los grupos de moléculas de colorante, que se sientan en un andamio rígido de ADN de doble cadena. Modelaron computacionalmente cómo factores tales como el número de moléculas de colorante, su orientación y las distancias entre ellos afectarían la eficiencia de los circuitos resultantes, analizando muchas versiones de los circuitos para determinar su eficiencia en la transferencia de energía.
“Los organismos fotosintéticos organizan sus moléculas recolectoras de luz con precisión utilizando un andamio de proteína. Hasta ahora, este tipo de control estructural ha sido difícil de realizar en sistemas sintéticos. Parece que el origami de ADN proporciona un medio de imitar muchos de los principios de los complejos fotosintéticos de recolección de luz “, dice Gregory Scholes, profesor de química en la Universidad de Princeton que no participó en el estudio.
Parte del equipo de ASU, dirigido por el coautor Su Lin, realizó una serie de mediciones espectroscópicas para demostrar que las estructuras de ADN diseñadas producían los agregados J deseados y para caracterizar sus propiedades fotofísicas. Schlau-Cohen, que utiliza técnicas avanzadas de espectroscopia para analizar los sistemas de recolección de luz, tanto naturales como sintéticos, demostró que estos conjuntos de pigmentos densos podían absorber eficientemente la energía de la luz y transportarla a lo largo de rutas específicas.
“Demostramos la capacidad de controlar los patrones de tráfico utilizando colorantes agregados J, no solo qué tan lejos pueden viajar los excitones. Eso es importante porque ofrece versatilidad en el diseño de dichos circuitos para materiales funcionales “, dice Bathe.
“El diseño de abajo hacia arriba de los sistemas excitónicos ha sido un objetivo específico de nuestro Energy Frontiers Research Center (EFRC). Me alegra ver un trampolín importante para demostrar el control de abajo hacia arriba del flujo de excitones “, dice Aspuru-Guzik. Agrega que “se requería una investigación multidisciplinaria que vincule estrechamente la síntesis, la teoría y la caracterización para llegar a este punto”.
Nuevos materiales
Los investigadores creen que estas estructuras sintéticas podrían integrarse en materiales bidimensionales y tridimensionales, como vidrio o textiles, dándoles a esos materiales la capacidad de absorber la luz solar y convertirla en otras formas de energía, como la electricidad, o almacenar o aprovechar la energía. Las estructuras también podrían formar una nueva base para las computadoras cuánticas, implementadas a nanoescala, usando circuitos excitónicos como compuertas lógicas cuánticas.
Los investigadores ahora planean explorar maneras de mejorar aún más estos sistemas sintéticos de recolección de luz, incluyendo la búsqueda de pigmentos más eficientes, que pueden encontrarse en la recientemente anunciada Biblioteca Max Weaver Dye en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, que alberga 98,000 tintes únicos.
“Todavía hay muchas maneras en que podemos imaginar mejorar esto”, dice Schlau-Cohen. “Tenemos la capacidad de controlar los parámetros moleculares individuales para explorar las cuestiones básicas de la ciencia sobre cómo podemos transportar la energía de manera eficiente en un material desordenado”. Schlau-Cohen es también el autor principal de una publicación complementaria que se publicará en el Journal of Physical Cartas de Química lapróxima semana.
Otros autores del artículo de Nature Materials son los postdocs del MIT James Banal y Toru Kondo, quienes dirigieron el periódico Journal of Physical Chemistry Letters ; el ex postdoc de ASU Alessio Andreoni; ASU postdoc Sarthak Mandal; Profesor de Investigación Senior de ASU, Su Lin; y el profesor de ASU Neal Woodbury.
La investigación fue financiada por la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria del Departamento de Defensa de EE. UU., El Departamento de Energía de EE. UU. A través del Centro de Excitación de MIT, la Oficina de Investigación Naval, una Beca de Ciencia e Ingeniería de Smith Family, y el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá.
Fuente: MIT