ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 415, № 5, с. 696-702
БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 577.3
ФОТОПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ МЕЖДУ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИМИ РЕАКЦИОННЫМИ ЦЕНТРАМИ
БАКТЕРИЙ RHODOBACTER SPHAEROIDES И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ МЕЗОПОРИСТЫМИ ПЛЁНКАМИ ТЮ2
© 2007 г. Е. П. Лукашев, В. А. Надточенко, Е. П. Перменова, О. М. Саркисов,
член-корреспондент РАН А. Б. Рубин
Поступило 12.04.2007 г.
Бактериальные реакционные центры (РЦ) фотосинтеза из пурпурных бактерий Rhodobacter sphaeroides являются наиболее изученными как структурно, так и функционально среди других природных биоаккумуляторов солнечной энергии [1]. Они состоят из трех белковых субъединиц с общей молекулярной массой около 70 кДа и содержат несколько низкомолекулярных кофакторов электронного транспорта. Из них четыре молекулы бактериохлорофилла, две из которых образуют так называемую "специальную пару" фотохимически активного пигмента (Р), две молекулы бактериофеофитина (Бф), а также две молекулы убихинонов и Qb), являющиеся первичным и вторичным акцепторами электронов. Рекордно высокий квантовый выход реакции первичного разделения зарядов ~100% и относительно высокая их стабильность делают эти белки не только очень привлекательными объектами для изучения фундаментальных механизмов фотосинтеза, но и для развития работ, направленных на конструирование искусственных сенсорных и энергозапасающих систем. Используются как общие принципы функционирования природных структур, так и создаются устройства, в которых РЦ, интегрированные в фотовольтаические устройства, являются активным элементом цепи генерации фототока. Транспорт фотомобилизованного электрона в РЦ - это сложный каскад реакций, в которых участвуют как сами порфири-
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Институт проблем химической физики Российской Академии наук, Черноголовка Московской обл. Московский физико-технический институт (Университет), Долгопрудный Московской обл. Институт химической физики Российской Академии наук, Москва
новые и хинонные кофакторы, так и непосредственное белковое окружение. Каждая стадия переноса электрона сопровождается увеличением времени жизни разделенных зарядов. Так, если рекомбинация Р+ и Бф- идет за время порядка
10 нс, то рекомбинация Р+ и р- происходит за ~0.1 с,
а Р+ и рь - уже примерно за 1 с. В то же время запасенная при образовании возбужденного состояния специальной пары Р* энергия порядка 1.3 В уменьшается при образовании ион-радикальной пары Р+-Бф- на ~0.25 В и на ~0.9 В при образовании
конечной долгоживущей пары Р+- рь [2]. Из соображений энергетической эффективности, конечно, более выгодно утилизировать высокорасположенные состояния РЦ, но их быстрый распад препятствует этому. Это принципиальное противоречие и преодоление его лежит на пути подбора матрицы с подходящими электронно-проводящими свойствами.
Фактически на сегодняшний день можно выделить два различных подхода к созданию гибридных светозапасающих и сенсорных устройств на бактериальных РЦ. Практически во всех случаях это была электрохимическая ячейка с рабочим металлическим или полупроводниковым электродом, покрытым слоем молекул РЦ. Для элементов первого типа использовались различные металлы (золото, платина) или графит и применялась контролируемая ориентация монослоя (или мультислоя) РЦ на его поверхности путем химической иммобилизации или с помощью му-тантных РЦ со специфическими аминокислота-ми-"якорями" на поверхности [3-6]. В зависимости от расположения белка на электроде регистрировался либо катодный (перенос электрона от рабочего электрода на РЦ в случае ориентации специальной парой Р к электроду), либо анодный фототок (ток обратного направления при ориентации РЦ хинонными акцепторами к элек-
троду), величина которого зависела от собственного потенциала рабочего электрода по отношению к электроду сравнения. Ориентация РЦ и
расстояние между электродом и Р+ или Qb определяли направление (катодный или анодный) и величину фототока в цепи регистрации [5]. Для интерпретации результатов привлекали теорию Маркуса [7].
Иной подход - использование полупроводниковых мезопористых полупроводников из окислов металлов. Собственно сенсибилизация отдельными молекулами порфириновых пигментов металлоксидных полупроводников, организованных в мезопористые электроды, для фотоэлектрохимической конверсии световой энергии в электрическую была описана ранее [11]. В таких системах фотовозбужденные молекулы порфи-ринов (в частности, хлорофилла), адсорбированные на поверхности ТЮ2, инжектировали электрон из синглетно возбужденного состояния в зону проводимости полупроводника во временном диапазоне от долей до нескольких десятков пико-секунд. Принято считать, что условием эффективной инжекции электрона является более отрицательное (высокое) положение потенциала молекулярной орбитали пигмента, с которой инжектируется электрон, относительно потенциала плоских зон полупроводника. Для ТЮ2 величина потенциала плоских зон зависит от рН и определяется выражением Ц, = и0 - 0.06 рН, где и0 = -0.2 В для структуры рутил и -0.4 В для структуры анатаз (по отношению к стандартному каломельному электроду). Ширина запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости около 3.2 В.
Было показано также, что мезопористые электроды ТЮ2 толщиной около 4 мкм способны связывать до десятков наномолей фермента [13]. Скорость инжекции электронов от белок-пигментных комплексов в ТЮ2 оказалась существенно ниже, чем в случае адсорбированных молекул только пигментов. Например, для Zn-замещенно-го цитохрома с полувремя реакции составляло около 100 мкс [14], причем инжекция происходила из триплетно возбужденного состояния. Этот результат указывает на существенное влияние белкового окружения на электрон-электронное взаимодействие между ТЮ2 и молекулой донором электронов и, как следствие, на скорость инжекции электрона в ТЮ2.
Бактериальные РЦ успешно были инкорпорированы в мезопористые структуры полупроводников ТЮ2 и TiO2-WO3 [8, 9]. Толщина исследованных мезопористых плёнок составляла от 0.15 до 0.5 мкм, а диаметр пор был в диапазоне от 3 до 400 нм. Эксперименты проводили при низком ре-
Таблица 1. Физико-химические характеристики мезопористых плёнок
TiÜ2 Средний размер, нм Удельная поверхность, м2/г Кристаллическая фаза
Aeroxide P25 25 50 анатаз (85%) рутил (15%)
TKP 101 6 300 анатаз (> 92%)
TKP 102 15 100 анатаз (> 90%)
докс-потенциале среды в присутствии дитионита натрия, который химически восстанавливал в темноте оба хинонных акцептора. Направление фототока, спектр действия которого совпадал со спектром поглощения РЦ в ближней ИК-области спектра, было анодным, т.е. полупроводниковая подложка была акцептором электрона от РЦ.
Именно полупроводниковая пористая матрица дает возможность инжектировать электрон от РЦ в энергизованном состоянии Р* или Р+-Бф-, так как зона проводимости полупроводников находится также очень высоко. Дополнительное преимущество таких подложек - высокая концентрация сорбированных белков внутри пор, а также высокая плотность энергетических состояний полупроводника, что дает возможность использовать РЦ без специальной процедуры ориентации. Будет возникать лишь спонтанная ориентация РЦ на гидрофобной поверхности электрода донор-ным участком, т.е. димером Р, к полупроводнику, поскольку Н-субъединица, закрывающая акцепторный компартмент в РЦ, является наиболее гидрофильной частью белка и, как было показано, на границе вода/воздух преимущественно ориентируется в сторону водной субфазы [10].
Цель настоящей работы - исследование встраивания РЦ в пористые нанокристаллические "толстые" (4 мкм) плёнки TiO2, так как плотность фототока напрямую зависит как от структуры плёнки, так и от количества молекул белка на электроде. Предстояло выбрать оптимальные структуры для максимальной сорбции белка, оценить нативность белка РЦ после его иммобилизации в порах полупроводника и исследовать прямой фотоперенос электрона между РЦ и TiO2.
Мезопористые плёнки TiO2 получали из нано-кристаллических порошков производства Aerox-ide P25 ("Degussa", Германия) и TKP 101, TKP 102 ("Tayka", Япония). Основные физико-химические характеристики представлены в табл. 1.
Плёнка готовилась из паст следующего состава: полиэтиленгликоль PEG20000, который состав-
Поглощение, е.о.п.
Рис. 1. Спектры поглощения реакционных центров Rb. sphaeroides: 1 - суспензия (5.5 мкМ РЦ в 10 мМ трис-НС1-бу-фере, рН 8.1, 0.1% холата натрия), используемая для инкубации мезопористых плёнок ТЮ2 на поверхности 1ТО-стек-лянного электрода; 2 - РЦ сорбированные в плёнке ТЮ2 толщиной 4 мкм из ТКР 101 с уксусной кислотой в качестве стабилизатора после 24 ч инкубации. Спектры нормированы по поглощению в максимуме 870 нм, при этом поглощение плёнки ТЮ2 с РЦ было увеличено в 10 раз.
лял 10% от массы TiO2, водный раствор детергента Triton X-100 (0.25%). Массовая доля окиси титана в пасте составляла 40%. Поскольку нанокристаллы TiO2 образуют агрегаты для их разрушения и стабилизации отдельных наноразмерных частиц, использовали растворы азотной кислоты HNO3 (рН 1), уксусной кислоты CH3COOH (разбавленная ледяной уксусной кислотой 1 : 50), ацетилацетон C5H8O2 (10-8 М), или цетилтриметиламмоний бромида C13H30BrN (1% от массы TiO2). Для сравнения были приготовлены пасты без стабилизирующей добавки. Пасту гомогенизировали на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2, 600 Вт, 1 ч. Плёнки наносили на стекло с токопроводящим покрытием из окиси титана-индия (iTO-glass, "Delta Technologies", USA) с размерами 7 х 25 х 1.5 мм методом наката пасты при использовании прокладки толщиной 4 мкм. Плёнку сушили в течение 15 мин на воздухе для предотвращения растрескивания. Органические вещества выжигали на воздухе при 450°С (90-120 мин) или при 550°С (3060 мин).
Для оценки эффективности сорбции белков РЦ плёнками TiO2 различного приготовления мы регистрировали спектры поглощения образцов с помощью двуволнового-двулучевого спектрофотометра Hitachi-557 (Japan) в течение 5-7 дней через каждые 24 ч инкубации подложки в растворе РЦ с концентрацией ~5.5 мкМ в трис-HCl буфер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.