Notícia

Cientistas aproveitam fotossíntese de maneira inovadora para obter energia limpa

Fonte

Technion | Instituto de Tecnologia de Israel

Data

segunda-feira, 13 julho 2020 11:50

Áreas

Energia. Química Verde. Sustentabilidade.

Em um grande passo na direção de tornar as células biofotoeletroquímicas (BFEQs) a principal fonte de energia limpa no futuro, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion), em Israel, e da Universidade Ruhr Bochum, na Alemanha, superaram um obstáculo de eficiência ao combinar com sucesso a absorção de luz por complexos fotossintéticos de captação com o poder eletroquímico do Photosystem II (PSII), um supercomplexo de proteínas de membrana que executa a reação inicial da fotossíntese em plantas, algas e cianobactérias. A inovação é uma solução funcional para superar a limitação anterior de eficiência, devido a uma “lacuna de luz verde” no espectro de absorção dos dispositivos de energia biosolar. Os resultados foram publicados na revista científica Journal of Materials Chemistry A.

Enquanto o mundo se esforça para substituir o combustível fóssil por fontes de energia limpa, a energia solar – devido à sua abundância e total ausência de elementos poluentes – é considerada uma fonte de energia particularmente valiosa. Na natureza, bactérias, algas e plantas evoluíram para converter eficientemente a energia solar em energia química via fotossíntese. As BFEQs são um conceito inovador no campo das energias renováveis, destinadas a aproveitar esse processo natural de maneira semi-artificial para o desenvolvimento de fontes de energia limpa, acessíveis e eficientes.

As células biológicas utilizam grandes complexos de proteínas chamados fotossistemas, que têm a capacidade de converter a luz solar em energia elétrica. Isolados de plantas, algas ou cianobactérias, os fotossistemas são responsáveis ​​pela conversão da luz solar natural em energia na natureza. O PSII é um tipo importante de fotossistema, porque usa a água como fonte de elétrons para a geração de eletricidade. É a fonte de todo o oxigênio que respiramos e de toda a comida que ingerimos.

Mas as BFEQs contendo apenas complexos PSII têm eficiência limitada. A eficiência é medida pela quantidade de energia elétrica que sai da célula dividida pela energia da luz solar que entra e o PSII sozinho pode converter apenas uma faixa limitada de luz. Esse fotossistema é incapaz de converter a luz verde, que constitui cerca de 50% da luz visível, em energia. Nas cianobactérias e algas vermelhas, esse processo é retificado pelas estruturas de proteínas (as chamadas PBSs), que lhes permitem aproveitar a luz que não é absorvida eficientemente pelas moléculas de clorofila no PSII. As PBSs funcionam como um transmissor de absorção de luz, direcionando a energia de excitação para os centros de reação do PSII.

“Por mais exclusivo que o PSII seja, sua eficiência é limitada, porque pode usar apenas uma porcentagem da luz solar”, explicou o professor Dr. Marc Nowaczyk, chefe do grupo de projetos de Mecanismos Moleculares de Fotossíntese da Universidade Ruhr. “As cianobactérias resolveram o problema formando proteínas especiais de captação de luz, ou seja, as PBSs, que também utilizam essa luz. Essa cooperação funciona na natureza, mas ainda não no tubo de ensaio”. O professor Dr. Noam Adir, da Faculdade de Química do Technion, acrescentou que, “assim como na natureza, nossos dois grupos colaboraram, trazendo nossa experiência no isolamento das PBSs com a experiência dos grupos do professor Nowaczyk no isolamento do PSII. Juntos, superamos os obstáculos de juntar tudo nas BFEQs”.

Para tornar funcional a colaboração entre cianobactérias e a fotossíntese de plantas em uma célula biológica artificial, as duas equipes conseguiram produzir um bioeletrodo de dois componentes. Isso incluiu a difícil tarefa de unir funcionalmente os complexos de multiproteínas PBS e PSII.

Os pesquisadores, liderados pelo Dr. Volker Hartmann (da Universidade Ruhr) e pelo Dr. Dvir Harris (do Technion), estabilizaram a interação entre PSII e PBS fixando permanentemente as proteínas a uma distância muito curta entre si, usando reticuladores. Os reticuladores são moléculas com duas ou mais extremidades reativas capazes de se ligar quimicamente a grupos funcionais específicos das proteínas. Após a ligação cruzada de PSIIs com PBSs, a equipe conseguiu inserir os super complexos nas estruturas apropriadas dos eletrodos.

A capacidade de reunir essas proteínas é um avanço no desenvolvimento biológico de células solares. Isto significa que os complexos de proteínas de diferentes espécies podem ser funcionalmente combinados para criar sistemas semi-artificiais que têm as vantagens cumulativas das diferentes espécies utilizadas.

Em suas pesquisas futuras sobre as BFEQs, as equipes se concentrarão principalmente na otimização da produção e no tempo de vida dos componentes biológicos.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Technion (em inglês).

Fonte: Instituto de Tecnologia de Israel (Technion). Imagem: