DNA bygger upp antenn för solenergi

Forskare vid Chalmers har hittat en effektiv lösning för att samla in solljus till konstgjord fotosyntes. Genom att kombinera självorganiserande DNA-molekyler med enkla färgämnesmolekyler har de skapat ett system som efterliknar naturens egna antennsystem.

Konstgjord fotosyntes är ett av de heta spåren inom energiforskningen. Om man lyckades återskapa växternas förmåga att omvandla solenergi till bränsle skulle en stor del av världens energiproblem kunna lösas. Varje timme tar jorden emot solenergi i tillräckliga mängder för att försörja hela jordens energibehov i ett helt år.

En forskargrupp på Chalmers har nu gjort ett nanoteknologiskt genombrott inom det första steget som krävs för konstgjord fotosyntes. De har visat att man kan använda självorganiserande DNA-molekyler som en byggnadsställning för att skapa konstgjorda system som samlar in ljus. Resultaten publicerades nyligen i den ansedda vetenskapliga tidskriften Journal of the American Chemical Society.

Ett självuppbyggande system
I växter och alger består byggnadsställningen av en stor mängd proteiner som organiserar klorofyllmolekylerna så att ljusinsamlingen sker på ett effektivt sätt. Systemet är komplicerat, och skulle i princip vara omöjligt att bygga upp på konstgjord väg.

– Om en bindning går sönder så är det kört, säger Jonas Hannestad, doktor i fysikalisk kemi. Om man istället använder DNA för att organisera de ljusinsamlande molekylerna, så får man inte riktigt samma precision, men man får ett dynamiskt system som bygger sig självt.

Återskapar en del av naturens mirakel
Med ett system som bygger ihop sig själv närmar sig forskarna naturens metod. Om någon av de ljusinsamlande molekylerna går sönder, så är den utbytt mot en annan en sekund senare. I den bemärkelsen är det här ett självreparerande system, till skillnad från om molekylerna hade varit ditsatta av forskarna med syntetisk organisk kemi.
I växter och alger flyttas solens ljus till ett reaktionscentrum, så att de kan syntetisera socker eller andra energirika molekyler.

– Vi kan flytta energi till ett reaktionscentrum, men vi har inte löst hur själva reaktionen ska gå till där, säger Bo Albinsson, professor i fysikalisk kemi och ledare för forskargruppen. Det är egentligen den svåraste delen av artificiell fotosyntes. Vi har demonstrerat att man enkelt kan bygga en antenn. Den delen av miraklet har vi återskapat.

Som bitar i en komplicerat pussel
Chalmersforskarna kombinerar artificiell fotosyntes med DNA-nanoteknik. När man bygger nanoföremål, i storleksordningen miljarddelar av en meter, har DNA-molekylen visat sig fungera väldigt bra som byggmaterial. Det beror på att DNA-strängar har en förmåga att fästa i varandra på ett förutsägbart sätt. Om man bara ger rätt monteringsanvisningar från början, kan en samling DNA-strängar i ett provrör vika sig kring varandra och bilda i princip vilken struktur som helst.

– Det är som ett pussel där bitarna bara kan sitta ihop på ett enda sätt, säger Bo Albinsson. Därför kan man rita en ganska komplicerad struktur med papper och penna och veta i princip hur den kommer att se ut. De egenskaperna använder vi sedan för att styra hur ljusinsamlingen ska gå till.
 
Läs den vetenskapliga artikeln

Fakta om forskningen
Den vetenskapliga artikeln är skriven av Jakob Woller, Jonas Hannestad och Bo Albinsson. Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet. Forskargruppen fick nyligen ett nytt anslag på 9 miljoner kronor från Energimyndigheten, som ska gå till forskning för effektivare solceller och annan solenergiteknik.