綠色硫磺細(xì)菌在黑海的寒冷水域中居住。為了尋找它的孤獨(dú)存在，這種生命形式從250英尺深度的微弱陽光中清除能量。

植物表現(xiàn)出同樣出色的技巧，從太陽中收集輻射能量并將其轉(zhuǎn)化為生長所必需的生物能量。這個(gè)過程 - 完成了數(shù)十億年 - 被稱為光合作用。

現(xiàn)在，來自亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究所的郝巖和尼爾伍德伯里以及哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的同事探索了利用大自然的捕光秘密的新方法。他們的新研究概述了用于能量收集，轉(zhuǎn)換和運(yùn)輸?shù)暮铣上到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，這可能為太陽能，材料科學(xué)，納米技術(shù)和光子學(xué)的創(chuàng)新指明道路。

“這項(xiàng)多機(jī)構(gòu)協(xié)作努力展示了DNA納米技術(shù)在未來激子網(wǎng)絡(luò)空間控制和組織發(fā)色團(tuán)方面的良好應(yīng)用，”Yan說。

光移動(dòng)

在“ 自然材料 ”雜志的高級(jí)在線期刊中出現(xiàn)的研究中，描述了一種用于聚光元件或發(fā)色團(tuán)的程序化組裝的系統(tǒng)。在植物和光合細(xì)菌等自然系統(tǒng)中，密集填充的生色團(tuán)的空間組織對于有效的定向能量轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。這種生物系統(tǒng)以精確的方式將發(fā)色團(tuán)排列在由蛋白質(zhì)組成的剛性支架上。

事實(shí)上，地球上的所有生命都直接或間接地依賴于光合作用。使用它的生物有效地將來自受體的太陽能傳遞到能夠利用能量的反應(yīng)中心 - 這種能力很容易與最有效的人造太陽能電池相媲美。

了解植物和光合微生物中自然光捕獲系統(tǒng)的努力至少可以追溯到一個(gè)世紀(jì)。盡管這些現(xiàn)象已被廣泛理解，但細(xì)節(jié)變得復(fù)雜，創(chuàng)造合成類似物的挑戰(zhàn)也很大。

植物通過將撞擊其發(fā)色團(tuán)的光的光子轉(zhuǎn)換成稱為激子的另一種形式的能量來進(jìn)行光合作用。激子是分子的能量狀態(tài)，或者是在被光吸收激發(fā)后緊密耦合的分子組。激子在自然光合作用和復(fù)制過程的研究工作中都是有價(jià)值的，因?yàn)樗鼈兛梢詫⒛芰繌囊粋€(gè)分子帶到另一個(gè)分子，這些能量最終可以用來驅(qū)動(dòng)電子的運(yùn)動(dòng)。

隨著社會(huì)從化石燃料的使用過渡，預(yù)計(jì)太陽能將在下個(gè)世紀(jì)為全球能源供應(yīng)做出重大貢獻(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員必須學(xué)會(huì)如何以最低的成本以最低的成本捕獲，轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存太陽能。

從自然中設(shè)計(jì)

在目前的研究中，對特定范圍的光能有響應(yīng)的染料分子用作合成發(fā)色團(tuán)。通過使用DNA作為支架，可以精確控制染料分子的相對位置，更好地模擬自然系統(tǒng)。

該DNA支架可以從6條單鏈DNA自組裝，其堿基配對特性使其形成所需的結(jié)構(gòu)。該形式已成為DNA納米技術(shù)領(lǐng)域的支柱，被稱為雙交叉或DX瓦。它通常用作編程合成DNA組裝的基本構(gòu)件。

所概述的方法允許對發(fā)色團(tuán)的最佳排列進(jìn)行建模，產(chǎn)生光捕獲電路，該電路能夠沿著DNA結(jié)構(gòu)有效地?cái)y帶被吸收光子的能量，并且沿途具有最小的能量損失。

“能夠模擬和構(gòu)建分子電路以收集光能并以受控方式移動(dòng)它，為各種由光源驅(qū)動(dòng)和控制的納米級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)打開了大門，”伍德伯里說。

得到的合成電路允許以類似于自然光捕獲系統(tǒng)的方式巧妙地調(diào)節(jié)發(fā)色團(tuán)的吸收光譜。這可以部分地通過精確控制染料分子的取向和它們彼此的距離來實(shí)現(xiàn)。

量子躍進(jìn)

最近，研究人員已經(jīng)確定，自然光合系統(tǒng)成功的部分原因在于屬于量子世界的古怪物理效應(yīng)。事實(shí)證明，在含有多個(gè)發(fā)色團(tuán)緊密堆積在一起的光合生物中，可以在分子之間共享光激發(fā)。這一特征 - 稱為量子相干 - 可以顯著提高能量轉(zhuǎn)移效率。這是植物和光合細(xì)菌如此擅長的原因之一。

生物系統(tǒng)和納米機(jī)器在捕獲光和傳輸能量方面的有效性歸因于光活性分子的高度有序的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。在過去的幾十年中，使用DNA作為模板將有機(jī)染料等功能元素排列成精確的陣列已經(jīng)快速發(fā)展。

在目前的研究中，利用DNA和發(fā)色團(tuán)的自組裝特性來精確確定DX-瓦片上J-聚集發(fā)色團(tuán)組件的位置。這些J-聚集發(fā)色團(tuán)組件具有類似于光合紫色細(xì)菌所使用的自然光捕獲天線的聚光特性。

第一步是確定發(fā)色團(tuán)染料聚集體的大小范圍，這些聚集體可以在一段雙鏈DNA上成功自組裝，同時(shí)仍保留有效的能量轉(zhuǎn)移特性。建模確定了容納穩(wěn)定的發(fā)色團(tuán)J聚集體所需的最小DNA長度是8個(gè)堿基對。

接下來，使用量子動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，建模和優(yōu)化由布置在基于DX的瓦片上的四個(gè)發(fā)色團(tuán)聚集體組成的電路，以指導(dǎo)DNA DX瓦片內(nèi)多個(gè)離散染料聚集體的合理組裝。通過計(jì)算探索發(fā)色團(tuán)聚集體以鑒定顯示快速激子傳輸性質(zhì)的序列設(shè)計(jì)。

然后合成了最佳電路設(shè)計(jì)，并使用復(fù)雜的熒光光譜法精確表征結(jié)果。進(jìn)一步的研究試圖精確地表征單個(gè)J-聚集體內(nèi)發(fā)色團(tuán)的分子組織。

研究人員估計(jì)，每8個(gè)堿基對DNA片段就會(huì)聚集6個(gè)染料分子，這與早期對DNA雙螺旋梯每轉(zhuǎn)8-12個(gè)染料分子的估計(jì)結(jié)果非常吻合。確定2個(gè)堿基對的分離距離以提供相鄰發(fā)色團(tuán)聚集體之間的最佳激子耦合。得到的電路顯示能量傳輸?shù)膶傩耘c建模預(yù)測一致。

未來之光

這一成功再次證明了自下而上的納米級(jí)架構(gòu)組裝方法的強(qiáng)大功能和多功能性。具體而言，像所描述的那樣的激子電路的設(shè)計(jì)可以導(dǎo)致除了光捕獲技術(shù)之外的新應(yīng)用，包括信息和通信技術(shù)的創(chuàng)新，以及環(huán)境，運(yùn)輸，醫(yī)療保健，制造和能源領(lǐng)域的進(jìn)步。