Hogyan kerül napelem a bőr alá?

Élő sejtet próbál akkumulátorrá alakítani egy magyar kutató vezette csoport. A fotoszintézist próbálják modellezni, és arra már rá tudtak venni egy baktériumot, hogy órákon át megőrizze a napfényből nyert elektromos áramot. A kutatás csúcsa testbe építhető energiaforrás lehet, de erre biztos, hogy hosszú éveket kell még várni.

A Wright fivérek 1903-ban pár tucat méternyit repültek, ma már az a távolság egy interkontinentális repülőgép hossza. Ezzel a hasonlattal érzékeltette dr. Kálmán László Kanadában kutató biofizikus, hogy az őáltala vezetett csoport eredményei milyen lépekesen át jutnak el oda, hogy majdan a betegek szervezetébe biokompatibilis, enzimekkel működő elemeket lehessen beépíteni. A megoldás előnye, hogy ilyen, mérgező anyagokat nem tartalmazó elemekkel könnyebbé válik a beteg állapotának megfigyelése műtét után a testbe beépített eszközök révén.

A veszprémi Pannon Egyetemen végzett, majd a Szegedi Tudományegyetemen doktori címet szerzett kutató a fotoszintézis alapvető folyamataival foglalkozik a montreali Concordia Egyetemen. Csoportjának legutóbbi, az Amerikai Vegyészeti Társaság folyóiratában közölt eredménye az, hogy úgy sikerült módosítaniuk egy fehérje környezetét, hogy az a baktériumsejtben szokásos tizedmásodperc helyett órákon át képes tárolni az elektromos töltést.

Kálmán László laborban a színképelemzést végző lézeres spektrofotométerrel

"Amennyiben a napenergia hatékony felhasználása a cél, akkor kifejezetten hasznos a fotoszintézist tanulmányozni. Három és fél milliárd éve kialakult, önfenntartó rendszerről van szó. Oka van annak, hogy ez lett a győztes az evolúció során" - mondta a biofizikus az [origo]-nak. A növények és a baktériumok elképesztő hatékonysággal alakítják át a napenergiát kémiai energiává - ezért fontos a mesterséges fotoszintézis kutatása az energiaéhes emberiségnek.

Kálmán és munkatársai egy olyan bíborbaktériumot, a Rhodobacter sphaeroidest választottak, amely évtizedek óta jól ismert a mesterséges fotoszintézis és a biológiai elektronáramlás kutatásában. Pontosabban a baktériumnak azzal a legkisebb egységével (reakciócentrumával) foglalkoztak, amely elengedhetetlen a fényenergia átalakításához, vagyis a fotoszintézishez. A centrum tulajdonképpen festékanyagból és fehérjéből áll, amely egy membránba van beágyazva. Ez a komplex egység közel 100 százalékos hatásfokkal alakítja át az elnyelt fény energiáját elektromos energiává. Ezért kecsegtet nagy mennyiségű, tiszta energiával a mesterséges fotoszintézis.

Versenyautó a havas közúton

Amint a reakciócentrumot gerjeszteni kezdi a fény, egy elektron ugrik át a membrán egyik oldaláról a másik felé, egy pozitív-negatív töltéspárt hozva létre. A töltés viszont csak rövid ideig, körülbelül egy tizedmásodpercig áll fent. Ez ugyan elég ahhoz, hogy a baktérium (vagy a növény) felhasználja a tárolt energiát, azonban "betyár rövid idő ahhoz, hogy a sejten kívül hasznosíthassuk" Kálmán László szavai szerint.

"A célunk az volt, hogy ezt az időt drasztikusan megnöveljük annak érdekében, hogy a töltéspár elektromos töltéséből származó energiát tárolni lehessen" - mondta a kutató. Az elektron által bejárt távolság mindössze három nanométer, ami nagy távolságnak számít biológiai mértékkel mérve - mondta Kálmán (a nanométer a milliméter egymilliomod része).

A piros ívelt nyíl az elektrontraszfert jelöli, a barna nyíl pedig azt a rekombinációs folyamatot, amely eredetileg mindössze egy tizedmásodpercig tárolta az energiát

"A fotoszintézis folyamatainak kutatása során az elemzett fehérjéket általában kiveszik a természetes membránkörnyezetükből, hogy a zavaró hatások kiiktatásával minél pontosabb méréseket lehessen végezni. Mi is ez tettük, de itt nem álltunk meg" - mondta Kálmán László.

A kutatócsoport úgy érte el, hogy az elektromos töltés akár négy-öt órán át is fennmaradjon, sőt teljes elhalásáig nyolc óra teljen el, hogy megváltoztatták a fehérje környezetét: olyan membránkörnyezetbe ágyazták be, amely az optimálisnál vékonyabb volt. Így a fehérjével közvetlenül érintkező lipidmolekulák energetikai okokból kénytelenek voltak megnyúlni, a fehérje maga pedig összezsugorodni, hogy a vastagságok különbözősége eltűnjön. Ezzel az elektromos töltések közvetlen környezete is megváltozott. Ez okozza azt, hogy a töltés öt nagyságrenddel hosszabb ideig, vagyis százezerszer hosszabban fennmarad, mint a természetes környezetben.

"Ez a hosszú idő hátrányos lenne a sejtbeli működés szempontjából, de az általunk kitűzott cél, a töltés tárolása érdekében igen hasznos. Amit végrehajtottunk, ahhoz hasonló, mintha egy F1-es versenyautót a pályán kívül használnánk. Itt nálunk Montrealban gyakori a félméteres hó. Ha megpróbálnánk ilyen időben elindulni a kocsival, semmire se jutnánk, sőt sokkal rosszabbul teljesítene, mint egy átlagos autó. A kutatók hajlamosak megfeledkezni a környezeti hatásokról" - mondta Kálmán László.

A társszerzők balról jobbra: Sasmit Deshmukh, Kai Tang és dr. Kálmán László, a kutatócsoport vezetője

Magát a töltést hordozó fehérjét nem változtatták meg, viszont az nem volt mindegy, hogy ennek a komplex fehérjének melyik szakasza lesz kifejezetten érzékeny a membránkörnyezet megváltoztatására. "Húsz éve foglalkozom ennek a fehérjének a kutatásával. Tudjuk, hogy hozzávetőleg hétezer atomból és mintegy hétszáz aminosavból áll, szóval meglehetősen komplex rendszerről van szó."

"A mostani eredménynek az első csírája még doktorandusz koromra megy vissza, amikor Szegeden dr. Maróti Péter professzor vezetésével ennek a fehérjének egy bizonyos szakaszát neveztük meg a fény által előidézett szerkezeti változások lehetséges pontjaként. A biofizikusok nagy többsége viszont egy másik szakaszra szavazott. Amikor már itt a Concordián önálló kutatásba kezdhettem, elővettem ezt a dédelgetett témát" - mondta Kálmán László.

A mesterséges fotoszintézis kutatása húsz évvel ezelőtt még nem volt divattéma a kutató szerint, azóta viszont erkölcsi és politikai kérdéssé vált az olcsó, környezetbarát és tiszta napenergiához való hozzáférés. A fotoszintézis lényegének lemásolása azért éri meg a kutató szerint, mert napfényből, vízből és szén-dioxidból gyakorlatilag kiapadhatatlanok a készletek. Hátrány viszont, hogy egy roppant bonyolult biológiai rendszert kell lemásolni, ami nem olyan robusztus, mint egy gép, amelyet pár évre el lehet tenni a raktárba, aztán elővéve ismét ugyanúgy működik.

A Concordia laboratóriumában belátható időn belül nem fognak hidrogént előállítani - magyarázta egy korábbi interjújában Kálmán László. "A miénkhez hasonló kutatócsoportok eredményeit viszont felhasználják azok, akik a mesterséges levelekkel foglalkoznak. Ők a fotoszintézisben részt vevő struktúrákat állítják elő laboratóriumi körülmények között, vagyis legyártják azokat a mesterséges reakciócentrumokat, amelyek az energiaátalakítás elemi lépéseit az élő szervezetben megfigyelthez hasonlóan végzik.

Viszont csak a legszükségesebb elemeket veszik át, hiszen a repülés úttörőinek sem volt céljuk, hogy a fészekrakást is lemásolják a madaraktól" - mondta a kutató. "A bioelem létrehozása is távoli célnak tűnik most, de megvalósulhat a nem is annyira messzi jövőben. A négy-öt órás energiatárolást több éves kutatással értük el, először csak húsz percre tudtuk feltornászni azt a bizonyos egy tizedmásodpercet" - tette hozzá.

Hidrogéngyártás fotoszintézissel

Világszerte harminc éve folynak kutatások a mesterséges fotoszintézissel. Áprilisban jelentette be a svéd Királyi Műszaki Főiskola, hogy sikerült olyan sebességűre gyorsítani a folyamatot, ami utat nyit a gazdaságos hidrogéntermelés felé. A lényeg ebben az a katalizátor, amely másodpercenként háromszáz oxigénatom sebességgel képes a vizet oxigénné és hidrogénné bontani. Az utóbbi, igen gyúlékony gáz aztán tiszta energiaforrásként szolgálhatna járművek vagy más gépek meghajtására. A svéd eredmény rekord a mesterséges fotoszintézis témájú kutatásokban, és eléri a növényi vízbontási folyamat sebességét, amely fajtól függően másodpercenként 100-400 oxigénatom. A hidrogén felhasználása az energetikában nem növeli az üvegházhatású gázok mennyiségét a légkörben, továbbá felválthatók vele a fosszilis eredetű, nem megújuló energiaforrások.