4.5.3. Искусственный фотосинтез

Природа создает не так много ситуаций, в которых существенную роль играет когерентный перенос электронов, поэтому молекулярная электро­ника почти не имеет биологических аналогов. Единственным исключением является фотосинтез, процесс, в котором высокооптимизированные комплек­сы белков и красителей эффективно собирают энергию света и превращают ее в химическую. Для понимания этого процесса были предприняты значитель­ные усилия, в результате которых стали пытаться воспроизвести фотосинтез искусственно. В некоторых случаях используется лишь общая идея процесса, как, например, при производстве солнечных батарей нового типа, в других фотосинтез копируется буквально.

Фотосинтез происходит в структурах, заключенных внутри мембран, как показано на рис. 9.11. В простейшей фотосинтезирующей системе — пурпур­ной бактерии — фотосинтезирующая мембрана расположена прямо в стенке клетки и покрывает ее всю. В более сложных системах, таких как зеленые растения, фотосинтез происходит в мембранах специальных органелл, именуе­мых хлоропластами.

Центральным элементом фотосинтезирующей системы является молекула красителя хлорофилла (или, как в случае пурпурной бактерии, бактериохлоофилла). На этой молекуле энергия света превращается в пару электрон-дырка, т. е. в экситон. Чтобы собрать энергию света, необходимо разделить экситон до того момента, как электрон и дырка успеют рекомбинировать. Это осуществляется путем переноса электрона через три различные молекулы, каждая из которых находится в особом пространственном соотношении с остальными: с хлорофилла через мембрану на крупный комплекс особых белковых молекул — фотосинтезирующий реакционный центр. В конце концов электрон оказывается на подвижной молекуле, хиноне. После этого запускается последовательность реакций, цель которых состоит в окислении источника водорода и повышение концентрации ионов водорода внутри мембраны по сравнению с наружной сре­дой. Возникающий градиент концентрации ионов водорода используется ком­плексами АТФ-синтазы, расположенными тут же в мембране, для запасания энергии в виде АТФ, который затем может служить топливом для любых био­химических процессов, выполняемых клеткой.

Рис.4.9.

В простейшей фотосинтезирующей бактерии источником водорода служит процесс восстановления сероводорода. Но в связи с кардинальными изменени­ями в атмосфере Земли эволюция модифицировала данную схему так, что те­перь две фотосинтезирующие схемы, работающие в тандеме, получают ионы водорода из воды, оставляя побочный продукт в виде кислорода. Именно этот процесс происходит в зеленых растениях.

Последнее усовершенствование, о котором стоит упомянуть, состоит в по­вышении эффективности фотосинтеза за счет работы светособирающих комплексов. Эти комплексы состоят из большого числа, может десятков или даже сотен, молекул красителей, соединенных вместе белками так, что они образу­ют особую пространственную структуру. Разные красители абсорбируют свет в разных полосах длин волн, а возникающий экситон чрезвычайно быстро пере­дается внутри комплекса до тех пор, пока не достигнет реакционного центра. Таким образом, эффективность фотосинтеза повышается за счет того, что больше света разной длины волны превращается в электрическую энергию.

Фотосинтез представляет собой отличную модель того, как можно превра­щать солнечную энергию в электрическую и химическую. Попытки имитиро­вать его искусственно можно разбить на две категории: системы, в которых происходит максимально точное копирование механизмов фотосинтеза, и сис­темы, в которых воспроизводятся лишь его основные принципы.

Системы первой категории используют синтетические молекулы, обычно порфириновые производные, иногда связанные с фуллереном С₆₀, встроенные в липидный бислой. Используя пространственно протяженное сопряжение та­ких молекул, возникающий при абсорбции света экситон разделяется на элек­трон и дырку, а энергия идет на перекачку ионов водорода через мембрану. Если эти молекулы встроены в мембрану липидной везикулы, иными словами липосому, то под воздействием света внутренность везикулы становится кис­лой. Разумеется, для этого необходимо, чтобы эти асимметричные молекулы были встроены в мембрану одним и тем же образом. Возникающий градиент концентрации ионов водорода может быть использован для снабжения энерги­ей АТФ-синтазы, в которой энергия света запасается в виде АТФ.

Приведенная выше схема почти точно копирует биологический оригинал, поэтому приводит к получению биологических энергоносителей АТФ. На про­тивоположном конце спектра схем фотосинтеза находятся схемы, которые за­имствуют лишь самые общие принципы. Наиболее известными из них являют­ся фотодиоды и фотоэлектрохимические устройства, изобретенные Гретцелем, в которых диоксид титана сенсибилизирован с помощью адсорбции на его по­верхность красителей. Аналогия между этими устройствами и фотосйнтезиру-ющими мембранами носит лишь концептуальный характер. Необходимо, что­бы внутри фотодиода происходили два основных процесса: энергия поглощен­ного фотона должна абсорбироваться в виде связанной пары электрон—дырка (экситона), а этот экситон должен разделяться на свободные электрон и дыр­ку, после чего они по отдельности должны переноситься к своим электродам. В традиционной фотогальванике эти процессы происходят в объемном полу­проводнике. Как мы уже видели, фотосинтез использует для этих целей высо-кооптимизированные молекулы красителей. Ячейки Гретцеля разделяют про­цесс образования экситона и процесс переноса заряда: свет абсорбируется на красителе, который адсорбирован на поверхности наноструктурированного по­лупроводника с широкой запрещенной зоной (обычно на диоксиде титана). Электрон инжектируется в ТЮ₂, а электрическая цепь замыкается с помощью переносящего дырки электролита или полупроводника р-тпг. Преимущетво ячеек Гретцеля по сравнению с традиционными полупроводниковыми фотодиодами состоит в том, что они сочетают довольно высокую эффектив­ность с относительно дешевым способом получения, связанным с обработкой из раствора.

ВЫВОДЫ

Нанотехнологии снабдили нас множеством новых инструментов для иссле­дования биологических систем на малых масштабах длин. Возможность экспе­риментального изучения явлений, связанных с одной клеткой и даже с одной молекулой, позволили сделать большой шаг вперед как в концептуальном, так и в философском смысле, а также открыли перспективы заглянуть в то, как устроены биологические системы. Доступность миниатюрных систем, приме­няемых для разделения и анализа молекул, не только катализировала исследо­вания явлений, связанных с одиночной молекулой, но также породила новые методологии, с помощью которых геномная революция может быть полностью транслирована в практическую плоскость, что, безусловно, приведет к лучше­му пониманию причин болезней и к развитию новых методов лечения.

С другой стороны, клеточная биология может предложить нанотехнологи-ям замечательные экземпляры наноустройств и наномашин. Их можно исполь­зовать в гибридных системах или в качестве примера для подражания, который позволит создавать синтетические устройства, основанные на тех же самых физических принципах.

4.6.Материалы для медицины

Гибридные материалы, состоящие из неорганических и органических ве­ществ, обладают необычным сочетани­ем химических и физических свойств, и идеально подходят для создания важ­нейших для современной медицины препаратов — биоимплантантов, био­сенсоров и лекарств пролонгированного действия.

Созданию наноструктурированных ма­териалов, сформированных за счет предпочтительной иммобилизации биоло­гических молекул на различных поверх­ностях, уделяется особое внимание, по­скольку они могут быть использованы для клинического тестирования, скрининга, создания хиральных меток и специфичес­ких к антителам рецепторов. Для создания подобных структур одним из наиболее подходящих модельных объектов являют­ся аминокислоты — типичные представи­тели природных биологически-активных веществ, являющиеся структурными еди­ницами белков.

Каждый, кто читал фантастические ро­маны и смотрел фантастические фильмы, знает что такое анабиоз — без него экспе­диции даже к самым близким звездам сейчас представляются немыслимыми. Исследованием возможности обратимой заморозки биологический объектов, в том числе живых организмов, увлечены ис­следователи большинства развитых стран. И одним из наиболее важных на­правлений является изучение условий за­мерзания физиологических жидкостей и кристаллизации биологически-активных молекул. Характер протекания процессов кристаллизации биомолекул определяет­ся множеством факторов: температурой, составом раствора. Кроме того, важную роль играет поверхность, на которой про­исходит кристаллизация — это зачастую определяет кинетику процесса, форму и свойства образующихся кристаллов. Однако характер такого влияния во мно­гих случаях остается малоизученным.

Бесспорно, органические вещества незаменимы при создании лекарственных препаратов. Однако и без неорганических веществ современная медицина невозможна — вспомните хотя бы сульфат бария, который повсеместно используется в качестве контрастного вещества при рентгеновских исследованиях внутренних органов, например, кишечника и кровеносных сосудов. Повреждение кости — неприятная травма, потому что костная ткань очень медленно восстанавливается. И решить эту проблему позволяют именно неорганические биоматериалы. Костная ткань состоит из нанокристаллических фосфатов кальция и белка коллагена, и именно фосфаты кальция широко применяются в настоящее время в инженерии костной ткани. Обычно в состав имплантантов входит либо аморфный фосфат кальция, либо кристаллический гидроксиапатит, причем каждая из форм имеет свои преимущества. Например, гидроксиапатит стимулирует образование новой костной ткани (остеогенез), и при этом не рассасывается и не затвердевает, а полностью замещается новообразующей костной тканью. Для того, чтобы искусственная кость была прочной и долговечной, важно правильно подобрать состав и микроструктуру порошков, из которых будет получен керамический заменитель кости.

Рис.4.10.

Рис.4.11 и рис.4.12

Рис.4.13.

Рис.4.14.

Рис.4.15.

Для получения материалов с необходимой структурой подчас в ход идут достаточно необычные методы. В частности, в некоторых случаях для создания крупнопористой керамики поступают следующим образом: пропитывают полимерную губку раствором, содержащим необходимые компоненты, после чего заготовку отжигают, и при этом губка-матрица полностью выгорает. Структура полученного таким образом материала полностью повторяет пористую структуру губки.

Рис.4.16

Прочность и долговечность биоматериала — это, конечно, важные характеристики. Но что будет, если ввести этот материал в живой организм ? Не произойдет ли отторжения чужеродного объекта ? Поэтому материалы на основе фосфатов кальция должны проходить не только механические испытания. Необходимо также исследовать их взаимодействие с физиологической жидкостью.

Рис.4.17.