Ingenieus schakelkastje maakt algen blauwdruk voor superefficiënte zonnecellen
Eén ingenieus eiwitcomplex maakt dat algen en cyanobacteriën het meest efficiënt zonne-energie kunnen vastleggen van alle organismen op aarde. Wetenschappers van de Universiteiten van Utrecht en Birmingham ontrafelden het mechanisme, dat een inspiratiebron kan zijn voor superefficiënte zonnecellen. Ze publiceerden hun resultaten in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift CellChem.
Algen leggen – net als planten – via fotosynthese energie van de zon vast in biomassa. Maar een plant legt gemiddeld 12 procent van de energie vast, een alg tot wel 98 procent. “Die enorme efficiëntie maakt algen uitermate geschikt voor energieopvang en -omzetting”, weet promovendus aan de Universiteit Utrecht Sem Tamara.
Zeer complex light harvesting system
Tamara doet onderzoek naar de moleculaire structuur die de efficiënte fotosynthese in algen mogelijk maakt. Een alg bevat aan zijn oppervlak vele uitsteeksels – antennae - die een belangrijk onderdeel van het light harvesting system vormen. “Het is een zeer complex systeem. Elk uitsteeksel bestaat uit een aantal op elkaar gestapelde schijfjes. Binnenin ieder schijfje zit de zogenoemde gamma-bouwsteen, dat het licht doorschakelt verder het systeem in.”
Verschillende vormen van één molecuul
Via massaspectrometrie (MS) ontdekte Tamara dat er misschien wel 20 verschillende gamma bouwstenen bestaan. “Met MS stel je het gewicht vast van moleculen. Elk specifiek molecuul heeft zijn eigen gewicht. Het aantal pieken in ons massaspectrum geeft het aantal verschillende vormen weer van één soort molecuul.” Zeker vier verschillende gamma bouwstenen heeft Tamara nauwkeurig weten te definiëren. “Enkele daarvan zetten het licht beter om dan de andere.”
Het systeem is ingewikkelder dan een Zwitsers horloge. Dit is het product van drie miljard jaar evolutie waar ingenieurs nog veel van kunnen leren.
Efficiënt door diversiteit
Toch betekent de nu ontrafelde grote diversiteit in de moleculen die licht doorlaten niet dat het ene vorm van het light harvesting system efficiënter is dan het andere. Hoogleraar Massaspectrometrie Albert Heck, begeleider van Tamara’s promotie-onderzoek: “Volgens mij maakt juist de diversiteit in gamma bouwstenen dat het systeem onder alle omstandigheden optimaal werkt. Het kan zich steeds aanpassen en is daarmee nog geraffineerder dan we al dachten.
Nieuwe generatie zonnepanelen
Heck hoopt dat de huidige zonnepanelen, met een opbrengst van hooguit 20 procent, uiteindelijk te verbeteren zijn met het systeem dat algen gebruiken. “Het ingenieuze schakelkastje waarmee algen zo efficiënt zonlicht omzetten in bruikbare energie, is ingewikkelder dan een Zwitsers horloge. Dit is het product van drie miljard jaar evolutie. Daar kunnen ingenieurs nog veel van leren. Een oer-organisme geeft ons de blauwdruk voor ultieme super-efficiënte zonnecellen.”
Publicatie
A Colorful Pallet of B-phycoerythrin Proteoforms Exposed by a Multimodal Mass Spectrometry Approach
Sem Tamara*, Max Hoek*, Richard A. Scheltema*, Aneika C. Leney and Albert J.R. Heck*
CellChem, 9 mei 2019
* Verbonden aan de Universiteit Utrecht