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Bio trifft Nano

Versuche, Sonnenenergie zu nutzen, sind bisher noch sehr ineffektiv. Wahre Meister in dieser Disziplin sind dagegen photosynthetische Pflanzen, Algen und Bakterien. Wie Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, gelang es ihnen, das photosynthetische Reaktionszentrum einer Purpur-Alge mit einem Quantenpunkt, einem anorganischen Nanokristall, als „Antenne“ zum Einfangen von Licht auszustatten.

Photon trifft Quantenpunkt

Die Wissenschaft versucht, Organismen nachzueifern. Igor Nabiev vom NanoGUNE Forschungszentrum in San Sebastian (Spanien), Alexander O. Govorov von der Ohio University (USA), John Donegan vom Trinity College Dublin (Irland), und ein Team aus spanischen, irischen, französischen und russischen Wissenschaftlern haben jetzt einen neuen Ansatz zur Steigerung der Lichtausbeute entwickelt.

In Organismen ist der erste Schritt der Photosynthese die Absorption des Lichtes durch eine „Antenne“, einem Komplex aus Proteinen und Pigmenten, der durch die Lichtenergie in einen elektronisch angeregten Zustand gelangt. Das „Energiepaket“ kann nun an spezielle Chlorophyll-Cofaktoren im so genannten Reaktionszentrum des Photosyntheseapparates „weitergereicht“ werden. Dort werden sie letztendlich genutzt, um die zellulären Energiespeicher, wie ATP, herzustellen. Das „Weiterreichen“ der Energiepakete läuft über einen speziellen strahlungslosen Vorgang namens „Förster-Resonanzenergietransfer“ (FRET), bei dem elektronische Zustände von „Absender“ und „Empfänger“ des Energiepakets im „Gleichklang“ schwingen müssen.

Auch ein künstliches Photosynthese-System muss eine Antenne für die effiziente „Ernte“ von Lichtteilchen haben, die zudem in der Lage ist, die Energiepakete per FRET weiterzureichen. Bisherige künstliche Antennen, organische Farbstoffmoleküle, hatten den Nachteil, dass sie einen viel zu schmalen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts einfangen. Außerdem sind sie unter längerer Bestrahlung nicht stabil. Die Idee war nun, statt organischer Moleküle fluoreszierende anorganische Quantenpunkte als Antennen zu verwenden. Quantenpunkte sind nanoskopische Kristalle, die so winzig sind, dass sie sich in vielen Aspekten wie Moleküle verhalten, nicht wie makroskopische Festkörper. Die elektronischen und optischen Eigenschaften von Quantenpunkten, etwa welche Wellenlängen sie absorbieren, lassen sich in weiten Bereichen maßschneidern, da diese von deren Größe, Form und Zusammensetzung abhängen. Die Forscher wählten Quantenpunkte aus Cadmiumtellurid und Cadmiumselenid, die unter Beleuchtung fluoreszieren; dabei bleiben sie auch langfristig stabil. Größe und Oberflächenbeschaffenheit der Quantenpunkte wurden so gewählt, dass diese einen besonders breiten Bereich des Sonnenlichts einfangen können.

Es gelang den Forschern, die Antennen-Quantenpunkte an das Reaktionszentrum aus dem photosynthetischen System von Purpurbakterien zu kuppeln. Unter Bestrahlung fluoreszieren die Quantenpunkte nun nicht mehr, sondern geben die aufgenommene Energie wie gewünscht per FRET an das Reaktionszentrum weiter. Der neue Ansatz könnte den Weg zu neuartigen künstlichen photosynthetischen Systemen ebnen.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Absorption steht in der Biologie für Aufnahme (im pharmakologischen Zusammenhang ist die Aufnahme eines Wirkstoffes gemeint; im physikalischen Zusammenhang ist die Aufnahme von Licht gemeint)
  • Der Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein angeregter Donor-Fluoreszenzfarbstoff strahlungsfrei Energie auf einen fluoreszierenden Akzeptor überträgt. Da die Intensität des FRET auch von dem Abstand der beiden Moleküle abhängt, dient die Methode in der Biochemie zum Nachweis von Wechselwirkungen von Proteinen und Nukleinsäuren.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Absorption steht in der Biologie für Aufnahme (im pharmakologischen Zusammenhang ist die Aufnahme eines Wirkstoffes gemeint; im physikalischen Zusammenhang ist die Aufnahme von Licht gemeint)
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Der Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein angeregter Donor-Fluoreszenzfarbstoff strahlungsfrei Energie auf einen fluoreszierenden Akzeptor überträgt. Da die Intensität des FRET auch von dem Abstand der beiden Moleküle abhängt, dient die Methode in der Biochemie zum Nachweis von Wechselwirkungen von Proteinen und Nukleinsäuren.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
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