Многие химические реакции требуют энергии для активации процесса преобразования. Часто это тепловая энергия или химическая энергия. Один из наиболее эффективных способов введения энергии в реакцию — использование света. Если не нужно нагревать реакцию или добавлять в неё дополнительные химические вещества, а вместо этого направить на неё свет, можно сэкономить значительное количество энергии. Однако может быть сложно контролировать и оптимизировать реакции, запускаемые светом.
Исследование, [опубликованное в журнале Chem](https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102594), даёт целостное представление о производстве газообразного водорода под воздействием света с использованием наночастиц-ферментного комплекса в качестве катализатора и вычислительной системы, которая может быть использована в более общем плане для понимания других реакций, запускаемых светом, в будущем.
Работа является результатом сотрудничества между группой Дукович из Университета Колорадо в Боулдере и группой Кинга из Национальной лаборатории возобновляемой энергии.
Химический катализ
Химический катализ — это особый тип реакции, который увеличивает скорость преобразования и часто уменьшает количество отходов, образующихся в процессе. Представьте себе это как сборочную линию.
Катализатор подобен станции на линии, объединяющей два или более компонента для создания нового продукта, который затем передаётся дальше. Без катализатора компоненты могли бы случайно соединиться и образовать желаемый продукт, но это было бы намного медленнее и реже. Катализатор остаётся неизменным в процессе и может повторять преобразование много раз.
Ферменты
Ферменты — это природные катализаторы. На клеточном уровне всякий раз, когда необходимо внести изменения, обычно участвует фермент. Скорость фермента и его селективность, то есть способность реагировать только с желаемыми молекулами из супа молекул, присутствующих в типичной клетке, просто фантастическая.
Ферменты часто превосходят катализаторы, которые мы можем создать в лаборатории, и поэтому было проведено много исследований, направленных на поиск способов использования таких ферментов для проведения реакций в лаборатории. К сожалению, это не так просто, как взять немного фермента из клетки. Ферментам часто требуются особые условия и партнёры для взаимодействия.
Окислительно-восстановительные ферменты — это особый и особенно привлекательный класс ферментов. Они способны добавлять или удалять электрон из химической реакции, что является ключевым этапом в производстве газообразного водорода. Окислительно-восстановительные ферменты редко существуют сами по себе.
Наночастицы и ферменты
Возвращаясь к аналогии со сборочной линией, чтобы получить станцию, которая может добавлять электроны к протонам (H⁺) для получения газообразного водорода, необходимо добавить множество других станций в определённом порядке. В клетке существует цепочка ферментов, которые передают электроны друг другу, прежде чем реакция может произойти.
Здесь вступает в игру искусственный компонент. Наночастица, которая при воздействии света высвобождает электрон, заменяет длинную цепочку ферментов и может напрямую передавать электрон ферменту. Таким образом, вы сокращаете свою сборочную линию с цепочки многих станций до двух.
«Эта работа стала возможна только благодаря сотрудничеству», — объясняет Гордана Дукович, ведущий исследователь из CU Boulder. «Команда из NREL обладает огромным опытом в области гидрогеназы (окислительно-восстановительного фермента, который создаёт газообразный водород), а мы обладаем опытом в создании и адаптации наночастиц и изучении того, что они делают после поглощения света».
Чтобы заставить фермент работать с искусственным донором электронов, потребовалось немало усилий. Две команды начали работать вместе в 2011 году и вложили много труда в понимание многих аспектов этого гибрида наночастиц и ферментов.
«Работа с командой из NREL была просто потрясающей, — говорит Дукович. — Возможность работать с экспертами, которые действительно помогают задавать важные вопросы и определять, где наши предположения были неверны, была важна для этой работы».
Более десяти лет эта коллаборация исследовала различные этапы этого процесса, такие как то, как наночастица и фермент соединяются вместе, как наночастица генерирует электрон при воздействии света, как наночастица передаёт электрон ферменту и как фермент использует эти электроны для производства водорода.
Только благодаря построению этого всестороннего понимания этапов, лежащих в основе этой реакции, команда может предоставить целостную картину всего преобразования. Более того, созданная ими система достаточно надёжна, чтобы её можно было применять для улучшения других реакций, запускаемых светом, в будущем.
Работа описывает улучшенную сборочную линию, способную преобразовывать световую энергию в газообразный водород — экологически чистое топливо, которое открывает новые, более эффективные способы производства электроэнергии.
Возможно, ещё более интересно то, что она демонстрирует силу новой вычислительной модели и системы, созданной на основе более чем десятилетнего совместного исследования, которая была сделана свободно доступной и которая даёт представление о реакциях, запускаемых светом, и может быть использована научным сообществом для усовершенствования будущих реакций, запускаемых светом, в химии.