《Nature》解锁生物可再生能源的钥匙!

【字体: 时间:2018年11月08日 来源:

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  《Nature》杂志发表的一篇新文章展示了光系统II(photosystem II)的高分辨率图像。光系统的作用是将水分解成氢离子和氧,高清图像帮助研究人员更好地理解这种复杂的机制,为开发廉价、高效的太阳能燃料装置打开了大门。

  

在地球形成伊始,大气中富含二氧化碳,没有游离氧分子存在。与现在的微生物相比,早期的生命形态最初是通过“吃”富含能量的小分子来满足它们的能量需求的。随后,其中一些“异类”发现了利用太阳能富集和储存能量(糖)的方式,再后来,另一些早期生命形式又学会了从水分子中提取质子和电子,这才发生了翻天覆地的转变。丰富的水和太阳能资源,导致了生物多样性的巨大爆炸,复杂生命体的副产物“氧”逐渐开始在大气中积累。

自从Bessel Kok建立了光系统II的生物水氧化基础(Kok’s photosynthetic water oxidation)已经过去将近50年了。生物水氧化涉及五步催化反应循环,积累四等份氧化物质。尽管人们已经知晓光系统II的暗稳定状态高分辨率结构,但是五步反应循环期间发生的结构变化还是未知的。

利用斯坦福附近的X射线自由电子激光器提供的超短(飞秒)X射线激光脉冲,一个国际研究团队最近成功获得了光系统II的高分辨率图像、所有反应循环的四种稳定状态下的水分解催化剂形态和每步反应之间的一些稳定状态的快照。

领导这项研究的主要作者包括瑞典乌普萨拉大学Ångström实验室化学系分子仿生学主席Johannes Messinger团队。

“在了解光合作用的水氧化机理方面我已经工作30年了,这是我梦想成真的时刻!这些新图像将有助于我们在前所未有的细节上理解这种复杂的反应,”Johannes Messinger说。

研究人员预计探索光系统II如何激活廉价且丰富的金属离子(钙和锰),从而成为迄今为止最佳的水氧化催化剂之一,让化学家享受便利。这将为开发廉价而高效的太阳能燃料装置敞开大门,这种装置可以将太阳能储存在分子氢或其他来自二氧化碳或氮还原的太阳能资源化学键中。

“太阳能燃料是无碳或碳中性的,除了电池以外,我们还需要把现有的化石燃料能源系统转变成可再生能源经济。

如果我们意识到当今世界80%的能源消耗是基于燃料的,那么对太阳能燃料的需求是显而易见的,即使在可再生能源非常发达的瑞典,能源燃料使用仍超过50%,其中只有34%用作电力,”Johannes Messinger说。

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原文检索:Structures of the intermediates of Kok’s photosynthetic water oxidation clock

(生物通:伍松)

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