Duitse onderzoekers zetten lichtenergie met een gemengde monolaag van fotosysteem I-eiwitten om in waterstof, melden ze in Angewandte Chemie.

Wil je licht omzetten in bruikbare energie, dan zijn de fotosynthetische eiwitcomplexen vanwege hun hoge kwantumefficiëntie een aantrekkelijk uitgangspunt. Je kunt er biofotovoltaïsche apparaatjes mee bouwen die uit een biologische (de fotosynthese-eiwitten) en een mechanische component (een elektrodeoppervlak) bestaan. Panpan Wang, Wolfgang Schumann en collega’s van de Ruhr Universität Bochum en de NOVA Universiteit Lissabon presenteren nu een verbeterde versie van zo’n bio-elektronische systeem, dat ze baseerden op bepaalde monomeren en trimeren uit de cyanobacterie Thermosynechococcus elongatus.

In 2019 ontwikkelden ze al een eerste versie. Uit T. elongatus haalden ze fotosysteem I-eiwitten, die licht omzetten in een elektronenstroom. In de bacterie komen die eiwitten het meest voor als trimeercomplexen. Toen ze die een monolaag (een Langmuir-Blodgett-film) lieten vormen op een elektrode, ontstond er wel een biozonnecel, maar vanwege de vorm van de trimeren bleven er gaten open en was maar zo’n 61 % van het oppervlak bedekt.

Dat probleem hebben ze nu opgelost. In T. elongatus zwemt namelijk ook een monomeervorm van fotosysteem I rond en als je die monomeren toevoegt aan de trimeermonolaag, dan vult het de gaatjes. Zo krijg je een veel efficiëntere bedekking.

Na isolatie van die monomeren probeerden ze een aantal verschillende monolaagcomposities uit met een variërende trimeer:monomeer-ratio. Uiteindelijk bleek een verhouding van 3,4:1 trimeer:monomeer het best te werken: de fotostroom liep op tot −2.0 μA cm⁻² vergeleken met −1.0 μA cm⁻² voor een monolaag met enkel trimeren.

Als bewijs dat het niet alleen een mooi staaltje biotechnologie is maar ook een praktische kant heeft, koppelden ze hun systeem aan een [NiFeSe]‐hydrogenase uit Desulfovibrio vulgaris Hildenborough (H₂ase). Dit enzym produceerde waterstof met de elektronen van de bio-elektrode. Maak je dit proces nog efficiënter, dan zou je het uiteindelijk kunnen gebruiken als een ‘praktisch biosysteem voor de conversie van zonne-energie’, stellen de auteurs.

_{Wang, P. et al. (2020) Angew. Chem. Int. Ed. 59}