使用DNA模板來利用太陽的能量

雙鏈DNA作為模板指導花青染料的自組裝形成強耦合染料聚集體。這些DNA模板化的染料聚集體用作「激子線」，以促進在高達32nm的距離上的定向，有效的能量轉移。

圖片來源：Neal Woodbury和Hao Yan

隨著世界的鬥爭，以滿足不斷增長的能源需求，加上CO的水平上升2毀林大氣和化石燃料的使用，光合作用在本質上根本無法與碳循環跟上。但是，如果我們能夠通過光合作用學習產生我們自己的能量，不產生二氧化碳的來源有助於自然碳循環2？人工光合作用做到了這一點，它利用太陽的能量的方式，最大限度地減少CO產生燃料2的生產。

在最近發表在美國化學學會期刊（JACS）上的一篇論文中，亞利桑那州立大學分子科學與生物模擬分子科學與生物設計中心的郝艷，劉艷和Neal Woodbury領導的研究小組報告優化系統的重大進展，模仿光合作用的第一階段，捕獲和利用太陽光能。

回顧我們在生物課上學到的東西，植物葉片光合作用的第一步是通過葉綠素分子捕獲光能。下一步是將光能有效地轉移到光合作用化學反應中心發生光化學反應的部分。這個過程稱為能量轉移，在天線複合體的自然光合作用中有效地發生。像收音機或電視的天線一樣，光合作用天線複合體的工作是收集吸收的光能並將其彙集到正確的位置。我們如何建立我們自己的「能量轉移天線複合體」，即吸收光能並將其轉移到可以使用的距離的人造結構？

「光合作用已經掌握了收集光能並將其移動到適當位置以便進行光碟機化學的技術。天然複合物的問題在於它們難以從設計角度重現;我們可以使用他們原樣，但我們想創建符合我們自己目的的系統，「伍德伯里說。「通過使用與自然相同的技巧，但在我們可以精確設計的DNA結構的背景下，我們克服了這個限制，並且能夠創建光收穫系統，有效地傳輸光能量，我們想要它。 「

Yan的實驗室開發了一種利用DNA自組裝結構的方法，該結構可用作組裝分子複合物的模板，幾乎可以無限制地控制尺寸，形狀和功能。利用DNA架構作為模板，研究人員能夠將染料分子聚集在結構中，捕獲並轉移數十納米的能量，效率損失<1％/納米。通過這種方式，染料聚集體模擬天然光合作用中基於葉綠素的天線複合物的功能，通過從被吸收的地方和將被使用的地方長距離有效地傳輸光能。

為了進一步研究基於自組裝染料-DNA納米結構的仿生光捕獲複合物，Yan，Woodbury和Lin已獲得能源部（DOE）的資助。在之前由DOE資助的工作中，Yan和他的團隊展示了DNA作為聚合染料可編程模板的實用性。基於這些發現，他們將利用光子原理作為自然光採集複合體的基礎，構建基於DNA自組裝的可編程結構，為複雜分子光子系統的設計和開發提供了必要的靈活平台。

「很高興看到DNA可以被編程為一個腳手架模板來模仿Nature的光捕獲天線，以便在這個長距離上傳輸能量，」Yan說。「這是一個高度跨學科團隊的研究成果的一個很好的證明。」

這項研究的潛在成果可以揭示捕獲能量並將其轉移到更長距離而沒有凈損失的新方法。反過來，這項研究的影響可能會導致設計更有效的能源轉換系統的方式，這將減少我們對化石燃料的依賴。

「我很高興參與這項研究，能夠建立一些長期工作，可以與伊士曼柯達和羅切斯特大學的科學家和工程師進行一些非常富有成效的合作，」大學的David G. Whitten說。新墨西哥州化學與生物工程系。「這項研究包括使用他們的花青形成聚集組件，在這些聚集組件中，供體花青聚集體和受體之間會發生長距離能量轉移。」

（來源：亞利桑那州立大學）

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