A bactéria enxofre verde faz sua casa nas águas geladas do Mar Negro. Para prolongar sua existência solitária, esta forma de vida retira energia da fraca luz do sol disponível a uma profundidade de mais de 250 pés.

As plantas executam o mesmo truque notável, reunindo energia radiante do sol e convertendo-a em energia biológica essencial para o crescimento. Esse processo - aperfeiçoado ao longo de bilhões de anos - é conhecido como fotossíntese.

Agora, Hao Yan e Neal Woodbury do Biodesign Institute da ASU e colegas de Harvard e MIT, explore novos métodos para capitalizar os segredos da colheita de luz da natureza. Seu novo estudo descreve o projeto de um sistema sintético para coleta de energia, conversão e transporte que podem apontar o caminho para inovações em energia solar, Ciência de materiais, nanotecnologia e fotônica.

"Este esforço colaborativo de vários institutos demonstra um bom uso da nanotecnologia de DNA para controlar espacialmente e organizar cromóforos para futuras redes excitônicas, "Yan disse

Movimentos leves

Na pesquisa que aparece na edição online avançada da revista Materiais da Natureza , um sistema para a montagem programada de elementos coletores de luz ou cromóforos é descrito. Em sistemas naturais, como plantas e bactérias fotossintéticas, a organização espacial de cromóforos densamente compactados é vital para eficiência, transferência de energia dirigida. Esses sistemas biológicos organizam os cromóforos de maneira precisa em estruturas rígidas compostas por proteínas.

Praticamente toda a vida na Terra depende direta ou indiretamente da fotossíntese. Os organismos que o utilizam transportam de forma eficiente a energia da luz solar dos receptores, que reúnem fótons da luz solar, para centros de reação onde a energia pode ser aproveitada - um desempenho que rivaliza facilmente com as células solares mais eficientes feitas pelo homem.

Os esforços para entender os sistemas de captação de luz natural em plantas e micróbios fotossintéticos datam de pelo menos um século. Embora os fenômenos tenham sido compreendidos em linhas gerais, os detalhes acabam sendo complexos e os desafios na criação de análogos sintéticos têm sido significativos.

As plantas realizam a fotossíntese convertendo fótons de luz que atingem seus cromóforos em outra forma de energia conhecida como exciton. Um exciton é um estado energético de uma molécula, ou grupo de moléculas intimamente acopladas após serem excitadas pela absorção de luz. Excitons são valiosos tanto na fotossíntese natural quanto nos esforços de pesquisa para duplicar o processo, porque eles podem transportar energia de uma molécula para outra, energia que pode, em última análise, ser usada para impulsionar o movimento dos elétrons.

Espera-se que a energia solar contribua significativamente para o fornecimento global de energia no próximo século, com a transição da sociedade do uso de combustíveis fósseis. Para conseguir isso, pesquisadores devem aprender como capturar, transferir e armazenar energia solar com a máxima eficiência a um custo acessível.

Projetando a partir da natureza

No estudo atual, as moléculas de corante que respondem a intervalos particulares de energia de luz são usadas como cromóforos sintéticos. Ao usar o DNA como um andaime, as posições relativas das moléculas de corante podem ser controladas com precisão, imitando melhor os sistemas naturais.

Este andaime de DNA pode se automontar a partir de 6 tiras de DNA de fita simples, cujas propriedades de emparelhamento de base fazem com que ele forme a estrutura desejada. A forma, que se tornou um pilar no campo da nanotecnologia de DNA, é conhecido como double crossover- ou DX-tile. (Ver Figura 1) É comumente usado como um bloco de construção básico para conjuntos de DNA sintético programados.

O método descrito permite que o arranjo ideal de cromóforos seja modelado, produzindo um circuito de coleta de luz que pode transportar com eficiência a energia de um fóton absorvido ao longo da arquitetura do DNA com perda mínima de energia ao longo do caminho.

"A capacidade de modelar e construir circuitos moleculares para reunir energia luminosa e movimentá-la de maneira controlada, abre a porta para o design e desenvolvimento de uma variedade de dispositivos em escala nanométrica que são alimentados e controlados por luz, "Woodbury disse.

O circuito sintético resultante permite que os espectros de absorção dos cromóforos sejam sutilmente ajustados de maneira semelhante aos sistemas de coleta de luz natural. Isso pode ser realizado em parte pelo controle preciso da orientação das moléculas de corante e sua distância umas das outras.

Salto quântico

Recentemente, pesquisadores determinaram que parte do sucesso dos sistemas fotossintéticos naturais se deve a efeitos físicos peculiares pertencentes ao mundo quântico. Acontece que em organismos fotossintéticos contendo vários cromóforos compactados, a excitação de luz pode ser compartilhada entre as moléculas. Esse recurso - conhecido como coerência quântica - pode aumentar significativamente a eficiência da transferência de energia. É uma das razões pelas quais as plantas e bactérias fotossintéticas são tão boas nisso.

A eficácia dos sistemas biológicos e nanomáquinas na captura de luz e no transporte de energia se deve à arquitetura em nanoescala altamente ordenada das moléculas fotoativas. Nas últimas décadas, o uso do DNA como um modelo para o arranjo de elementos funcionais como corantes orgânicos em arranjos precisos passou por um rápido avanço.

No estudo atual, as propriedades de automontagem do DNA e dos cromóforos foram exploradas para determinar com precisão as localizações dos conjuntos cromóforos do agregado J no DX-tile. Esses conjuntos cromóforos agregados J têm características de captação de luz semelhantes às antenas de captação de luz natural usadas por bactérias roxas fotossintéticas.

A primeira etapa foi identificar a faixa de tamanho dos agregados de corante cromóforo que poderiam se automontar com sucesso em um comprimento de DNA de fita dupla, ao mesmo tempo em que retém propriedades de transferência de energia eficientes. A modelagem determinou que o comprimento mínimo de DNA necessário para acomodar um agregado J estável de cromóforos era de 8 pares de bases.

Próximo, um circuito composto de quatro agregados cromóforos dispostos no ladrilho baseado em DX foi projetado, modelado, e otimizado, usando princípios de dinâmica quântica para orientar a montagem racional de múltiplos agregados de corantes discretos em um bloco de DNA DX. Os agregados de cromóforo foram explorados computacionalmente para identificar projetos de sequência exibindo propriedades de transporte de excitons rápidos.

O projeto de circuito ideal foi então sintetizado e métodos sofisticados de espectroscopia de fluorescência foram usados ​​para caracterizar com precisão os resultados. Outras investigações tentaram caracterizar precisamente a organização molecular dos cromóforos dentro de um único agregado J.

Os pesquisadores estimaram que um agregado de 6 moléculas de corante se reuniria por segmento de DNA de 8 pares de bases, um resultado, que se alinhou bem com estimativas anteriores de 8-12 moléculas de corante para cada volta da escada em dupla hélice do DNA. Uma distância de separação de 2 pares de bases foi determinada para fornecer o melhor acoplamento excitônico entre agregados de cromóforo adjacentes. O circuito resultante exibiu propriedades de transporte de energia consistentes com as previsões de modelagem.

Luz do Futuro

O sucesso é outra demonstração do poder e versatilidade de uma abordagem de baixo para cima para a montagem de arquiteturas em nanoescala. Especificamente, o projeto de circuitos excitônicos como o descrito pode levar a novas aplicações além da tecnologia de coleta de luz, incluindo inovações em tecnologia da informação e comunicação, e avanços em áreas que vão desde o meio ambiente, transporte, cuidados de saúde, fabricação e energia.