Исследовательская группа из США при участии учёных из МФТИ собрала нанобиоконструкцию, которая под действием света производит водород из воды. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano, популярно о них рассказывает пресс-служба МФТИ.

Водородное топливо является одним из лучших альтернатив ископаемому топливу. Оно относится к "зеленым" видам топлива: при его использовании образуется водяной пар и оно не вредит экологической обстановке. У него высокий коэффициент полезного действия у двигателя на водородном топливе выше, чем у бензинового или дизельного. Крупные автомобильные компании Toyota, Honda и BMW, уже производят автомобили на водородном топливе, однако в ограниченных масштабах. Но есть и серьезные минусы, из-за которых серийное производство двигателей на водородном топливе откладывается. Один из них - большие затраты электроэнергии на производство водородного топлива. Это обстоятельство заставляет ученых искать другие способы получения водорода, с помощью другого энергетического источника.

Традиционно водород получают с помощью электролиза, но ученые разрабатывают технологии, позволяющие получить водород из воды с помощью солнечной энергии. Для этого необходимо присутствие специального вещества — фотокатализатора. Наиболее распространённым фотокатализатором является  оксид титана (TiO2). Поскольку оксид титана недостаточно эффективен, учёные изыскивают способы повышения его эффективности.

В Аргоннской национальной лаборатории (США) исследователи обратились к биологии и собрали наноконструкцию из оксида титана и белка бактериородопсина (это мембранный светочувствительный белок некоторых бактерий, который осуществляет перенос протонов через мембрану клетки. Устроено это следующим образом: одна часть белка находится снаружи клетки, другая — внутри клетки. Под действием солнечного света бактериородопсин начинает качать протоны из клетки в окружающую среду, что обеспечивает производство энергии в бактериальной клетке в виде АТФ. Заметим, что человек в сутки синтезирует около 70 кг АТФ. Бактериородопсин является природным фотопреобразующим наноматериалом и используется в фармакологии, биомедицине, био- и нанотехнологиях. ) 

Оба компонента - оксид титана и бактериородопсин - являются светочувствительными и не просто усиливают действие друг друга, а образуют новую систему, функциональность которой намного превосходит набор свойств всех её частей. Но для исследований не обязательны "живые" бактерии , потому что современные технологии позволяют синтезировать жизнь «в пробирке», без участия живых клеток.

По словам пресс-службы МФТИ, для создания мембранных белков в искусственных условиях используют различные мембрано-моделирующие среды, в частности, нанодиски — это кусочки мембраны, собранные из фосфолипидов и опоясанные двумя молекулами специального белка. Размер диска зависит от длины этих белковых ремней. Мембранный белок, каковым является бактериородопсин, будет «чувствовать» себя в нанодиске как дома, в родной мембране, и сохранять свою естественную структуру. Такие конструкции используются для изучения структуры мембранных белков, для разработки лекарственных форм, и вот теперь их приспособили для фотокатализа. С помощью экспертов из МФТИ исследователи получили нанодиски диаметром 10 нанометров со встроенным бактериородопсином.



Исследователи синтезировали нанодиски — круглые кусочки мембраны, состоящие из двойного слоя липидов, — со встроенным светочувствительным белком и соединили их с частицами фотокатализатора оксида титана. Для этого нанодиски замешивали в водном растворе вместе с частицами оксида титана с платиновыми вкраплениями для большего эффекта фотокатализа. За ночь они сами прикрепились друг к другу. В данном случае бактериородопсин выполнял несколько функций. Во-первых, он был антенной, которая собирает свет и передаёт энергию оксида титана, усиливая его фоточувствительность. Во-вторых, он переносил протоны, которые восстанавливались до водорода посредством платинового катализатора. Так как на восстановление затрачиваются электроны, учёные добавили в воду немного метилового спирта в качестве источника электронов. Смесь сначала поместили под зелёный свет, а потом — под белый. Во втором случае водорода получилось примерно в 74 раза больше. В среднем почти постоянное выделение водорода наблюдалось по меньшей мере 2–3 часа.



Как пояснили в пресс-службе, раньше уже проводились опыты с подобной конструкцией, но там использовали натуральный бактериородопсин в натуральной мембране. Нанодиски попробовали впервые, и оказалось, что при их применении водорода выделяется столько же или даже больше, но при этом на такое же количество частиц TiO2 требуется меньше бактериородопсина. Учёные предположили, что это связано с тем, что нанодиски строго одинаковые по размеру и компактные, что позволяет им образовать больше связок. Хотя сейчас дешевле использовать натуральный бактериородопсин, возможно, развивающиеся методы синтеза жизни «в пробирке» вскоре сделают применение нанодисков более целесообразным.