Kunstmatige lichtcollectoren voor schone energie

Een internationaal team onderzoekers, geleid door Huub de Groot van het Leiden Institute of chemistry, modificeerde bladgroen van een alg zodanig dat deze leek op de uiterst efficiënte lichtantennes van bacteriën. Vervolgens wisten ze van deze half-synthetische lichtantenne de structuur te bepalen. Hiermee hebben zij de eerste stap gezet naar het omzetten van zonlicht in energie door middel van een ‘kunstmatig blad’. Maar voor het zover is moeten er eerst kunstmatige fotosynthesesystemen ontwikkeld worden die dat snel en efficiënt doen. Om brandstof uit zonlicht te maken zijn twee dingen nodig: een antenne die licht opvangt, en een licht-aangedreven katalysator. De Leidse onderzoekster Swapna Ganapathy is op het onderwerp gepromoveerd bij prof.dr. De Groot, een van de initiatiefnemers van het onderzoek.

Lichtantenne’s van bacteriën namaken

De snelste lichtcollectoren vind je nog steeds in de natuur: in groene bladeren, algen en bacteriën. Het allersnelst werken de lichtantennes – chlorosomen – van bacteriën, die in zeer ongunstige lichtomstandigheden, bijvoorbeeld diep in zee, minieme hoeveelheden lichtdeeltjes moeten kunnen opvangen. Deze chlorosomen zijn opgebouwd uit chlorofylmoleculen. De kunst is dus om juist die systemen na te maken. Duitse collega’s in het team van Huub de Groot modificeerden chlorofylen uit de alg Spirulina, zodat die gingen lijken op de pigmenten van bacteriën. Vervolgens onderzocht de groep van De Groot hoe de structuur van deze semi-synthetische lichtantennes eruit zag.

De Groot c.s. slaagden er in om de gedetailleerde moleculaire en supramoleculaire structuur te bepalen van de zelfgefabriceerde lichtantennes. Dit deden ze met een combinatie van vaste stof NMR en röntgendiffractie. Met röntgendiffractie bepaalden ze de globale structuur en met NMR drongen ze diep door in de moleculen. De Groot: “Nanotechnologie en supramoleculaire systemen worden steeds belangrijker. Maar om de structuur daarvan bepalen is zeer moeilijk. Vaak worden cartoons gemaakt die schematisch aangeven hoe het in elkaar zou kunnen zitten.”

Boomstammetjes

De Groot: “We wisten al dat de lichtantennes in bacteriën een soort boomstammetjes vormen. In deze semi-synthetische antennes blijken de moleculen zich op een andere manier op te stapelen; ze zijn plat. Maar het is wel één van de vier manieren waarop we van te voren al dachten dat het kon.”

Hoe de lichtantennes van gemodificeerde Spirulina in de praktijk werken moet nog blijken. De Groot: ‘Het is een heel nieuwe insteek in dit veld.’De nieuwe inzichten volgen elkaar wel snel op. Vorige maand wist De Groot, in een deels anders samengesteld internationaal team, ook al een doorbraak te melden in hetzelfde tijdschrift PNAS. Toen liet hij zien hoe hij – eveneens met een combinatie van NMR en een andere techniek, ditmaal elektronenmicroscopie –  de structuur op van de lichtantennes van de bacteriën zelf had opgelost. Daarmee konden de onderzoekers verklaren hoe ze zo snel en efficiënt werken.