Einsatz von Bakterien in Solarzellen tatsächlich möglich?
Eine neue Entdeckung in Bezug auf die Eigenschaften grüner Schwefelbakterien könnte sich demnächst als äußerst nützlich bei der Entwicklung einer neuen Generation von Solarzellen erweisen. Chlorosomen, die größten und effizientesten in der Natur vorkommenden lichtsammelnden Antennen, beinhalten bei dieser Art von Bakterien bis zu einer Viertelmillion Chlorophyllmoleküle. Das in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) Bericht erstattende Team internationaler Wissenschaftler ist der Auffassung, dass die Struktur dieser Moleküle bei der Entdeckung neuer Wege zur Erzeugung von Energie ausgenutzt werden kann. Chlorosomen bestehen aus Hunderttausenden selbstassemblierenden Bakteriochlorophyllen (BChl). Seit Jahrzehnten wird anhaltend über die Struktur der Chlorosomen debattiert, doch die Erschließung der diesen innewohnenden enormen Potenziale für neue Sichtweisen auf die Energieerzeugung lag bisher nicht in Reichweite. Obwohl die Mechanismen der lichtsammelnden Antennen bei einigen Organismen, die Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln (wie z. B. Pflanzen und Algen) schon recht gut durchschaut sind, ist das Verständnis der Chlorosomen noch immer eine Herausforderung geblieben. Sie sind in ihrer molekularen Zusammensetzung eher heterogen, so dasssodass man beim Rätselraten um die Struktur mit Röntgenkristallographie nicht weiter kommt. Darüber hinaus haben die durch den Einsatz von biochemischen und mikroskopischen Methoden gesammelten Informationen bislang zu eher widersprüchlichen Ergebnissen geführt. "Da sie [die Chlorosomen] sehr große und in ihrer Zusammensetzung heterogene Organellen bilden, sind sie das einzige photosynthetische Antennensystem gewesen, über das keine detaillierten strukturellen Informationen zur Verfügung standen," so die Studie. "Nach unserem Ansatz wurde die Struktur eines Elements der Chlorosomenklasse ermittelt und mit dem Wildtyp (WT) verglichen, um das Geheimnis zu lüften, worin die biologische lichtsammelnde Funktion der Chlorosomen begründet ist." Die Forscher wendeten genetische Verfahren sowie auch zwei hochmoderne Bio-Imaging-Bildgebungsverfahren an: die Kryoelektronenmikroskopie und das Festkörper-NMR- bzw. Kernresonanzverfahren. Sie entdeckten, dass die Struktur eines Chlorosomen aus einer Kombination konzentrischer Nanoröhren besteht, die einen soliden Rahmen für die lichtsammelnden Antennen bilden. Laut Studie ist "ein spiralförmiger Weg zur Exzitonenverlagerung die Basis für das effiziente und ultraschnelle Sammeln von Licht." Mit anderen Worten, es findet über von den Chlorophyllmolekülen gebildete Spiralen eine super-schnelle Energieverschiebung zu Proteinen in der Zellmembran statt, wodurch die chemische Umwandlung bewirkt wird. Der Koordinator des Forschungsprojekts, Professor Huub de Groot von der niederländischen Universität Leiden, weist darauf hin, dass die neuen Erkenntnisse bei der Entwicklung ähnlicher Strukturen für "künstliche Blätter" - d. h. Solarzellen, die die Energie der Sonne in Strom umwandeln - Einsatz finden könnten. Die Chlorosomen stellen im Zusammenhang mit Solarkonvertern aufgrund ihrer einfachen Zusammensetzung und ihrer Fähigkeit, auch unter schlechten Lichtverhältnissen zu arbeiten (grüne Bakterien leben unter äußerst schlechten Lichtverhältnissen), durchaus ein attraktives, weiter zu verfolgendes Modell dar. Der natürlich vorkommende Prozess, wie ihn die Wissenschaftler jetzt entschlüsselt haben, könnte nun neue Wege der Annäherung an die bestehenden Herausforderungen beim Einsatz von nanostrukturierten Materialien für die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom zeigen.
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