In het artikel dat is gepubliceerd in Joule, leggen de onderzoekers uit hoe fotosyntheseprocessen kunnen worden ingezet om technologische vooruitgang te stimuleren en de grenzen in kaart te brengen. Om te begrijpen hoe dit is gedaan, is het belangrijk om te weten dat fotosynthese het grootste omzettingsproces van zonne-energie op aarde is. Hoewel er ongelooflijk veel van is, is de algehele efficiëntie van fotosynthese vrij laag - ongeveer 1% van de energie van zonlicht eindigt als metabolische verbindingen. Dit komt door talloze bio-elektrochemische transformaties die nodig zijn om zonne-energie om te zetten en op te slaan in biomassa. Het opvangen van de energie uit zonlicht is ook direct mogelijk, waarbij de meeste transformatiestappen worden omzeild door alleen de primaire fotosynthetische eiwitcomplexen te combineren met geleidende synthetische materialen om bio hybride apparaten te produceren.
Tijdens het onderzoek ontdekten de auteurs dat het systeem bijna 100% efficiënt was bij weinig licht, waarbij elk geabsorbeerd foton werd omgezet in elektrische energie. Dergelijke omstandigheden met weinig licht doen denken aan de natuurlijke habitat van het eiwit, waarvoor ze door de natuur zijn ontwikkeld om efficiënt te werken. Onder omstandigheden met veel licht leidden veel verliezen er echter toe dat het rendement met meer dan 90% daalde. Dit is vergelijkbaar met water dat door een buis stroomt die onder druk lekt, waarbij het water representatief is voor elektronen en de druk de lichtintensiteit is. De onderzoekers ontdekten de oorsprong en omvang van deze lekken, bedachten een methode om ze op te sporen en stelden manieren voor om ze op te lossen.
Efficiëntie en strategie
Om het onderzoek uit te voeren, activeerden en bestudeerden de onderzoekers fotosynthese buiten een biologische cel, binnen een modelapparaat met behulp van gecombineerde detectietools. Binnen de gecombineerde detectietool zorgt de belichting van deze bio hybride elektrode voor reductie van een sterk reducerende cofactor, waardoor elektrische stroom wordt opgewekt. Deze stroom tussen de elektroden werd gemeten met behulp van elektrochemie. Cruciaal was dat gelijktijdige metingen met behulp van spectroscopie de onderzoekers in staat stelden de elektronenstroom op het niveau van het eiwit te onderscheiden, een meer gedetailleerd beeld dat een reeks informatie toevoegde.
De resultaten zijn belangrijk voor de bio hybride gemeenschap om te begrijpen waar efficiëntieverliezen optreden en om strategieën te onderscheiden om deze te verhelpen. Het onderzoek zal belangrijk zijn om de constructie mogelijk te maken van efficiëntere bio-zonnecellen, gevoeligere biosensoren en productievere biobrandstofcellen die een duurzame economie stimuleren door natuurlijke fotosynthetische eiwitten. Belangrijk is dat de gecombineerde detectiemethode gemakkelijk kan worden toegepast voor een reeks nieuwe bio hybride apparaten, waardoor een overgang van trial-and-error naar een aangeleerde aanpak voor hun verbetering mogelijk wordt.
Voor vragen of meer informatie over het onderzoek: Raoul Frese, r.n.frese@vu.nl
Afbeelding: Vincent Friebe