Nachbildung der natürlichen lichtsammelnden Nanoringe in photosynthetischen Bakterien

Fast die gesamte chemische Energie, die den Lebensformen der Erde zur Verfügung steht, kann auf die Sonne zurückgeführt werden. Dies liegt daran, dass lichtsammelnde (LH) Supramoleküle (zwei oder mehr Moleküle, die durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden) es Pflanzen und einigen Arten von Bakterien (typischerweise an der Basis der Nahrungskette) ermöglichen, Sonnenlicht für den Antrieb der Photosynthese zu nutzen. Damit diese Supramoleküle wirksam sind, müssen sie mehrere Pigmente wie Chlorophyll aufweisen, die in speziellen Strukturen angeordnet sind, die sich von Art zu Art unterscheiden.

Beispielsweise haben grüne photosynthetische Bakterien LH-Antennen, in denen Chlorophyllmoleküle spiralförmige Strukturen bilden, die sich wiederum zu großen röhrenförmigen Supramolekülen aggregieren. Im Gegensatz dazu weisen violette photosynthetische Bakterien wie Rhodobacter sphaeroides verschiedene Arten von LH-Antennen auf, in denen Chlorophyllpigmente in ringförmigen Architekturen angeordnet sind. Während es Forschern gelungen ist, die röhrenförmigen Chlorophyll-Aggregate im Labor mit einem Selbstorganisationsansatz nachzubilden, wurden ihre ringförmigen Gegenstücke bisher nicht künstlich reproduziert.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Chemische Kommunikation, gelang es einem Team von Wissenschaftlern aus Japan, diese Wissenslücke zu schließen. Sie entdeckten, dass das Mischen eines Chlorophyllderivats mit Naphthalindiamid in einem organischen Lösungsmittel zur Bildung von Dimeren führte, die sich spontan zu ringförmigen Strukturen mit jeweils mehreren hundert Nanometern Durchmesser zusammenfügten. Zum Team gehörten Professor Hitoshi Tamiaki von der Ritsumeikan-Universität und Assistenzprofessor Shogo Matsubara vom Nagoya Institute of Technology.

Überrascht von ihrer anfänglichen Entdeckung versuchte das Team, die Bildung der ringförmigen Nanostrukturen und ihre Eigenschaften besser zu verstehen. Bei näherer Betrachtung mittels Rasterkraftmikroskopie beobachteten sie, dass Chlorophyll-Dimere, Moleküle, die aus zwei Chlorophyll-Einheiten bestehen, die durch Naphthalin verbunden sind, sich anfänglich selbst zu stabilen, welligen Nanofasern zusammensetzten. Beim Erhitzen dieser Nanofasern auf 50°C zerfielen sie in kleinere Nanoring-Vorstufen, deren Enden schließlich miteinander verbunden wurden, um die gewünschten Nanoringe zu bilden.

Interessanterweise war diese Nanofaser-Nanoring-Umwandlung von externen Stimuli abhängig. Es wurde beobachtet, dass die Temperatur sowie die Dimerkonzentration eine Hauptrolle spielen. Prof. Tamiaki erklärt: „Bei niedrigen Konzentrationen wurden ringförmige Aggregate durch eine bevorzugte Ende-zu-Ende-Verbindung eines einzelnen Faser-Supramoleküls erhalten. Im Gegensatz dazu war die Ende-zu-Ende-Verknüpfung zwischen verschiedenen Nanofasern bei höheren Konzentrationen vorherrschend und ergab Aufstieg zu vernetzten Nanostrukturen.“

Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie einen einfachen Weg zur Synthese des LH-Supramoleküls, der Wissenschaftlern lange Zeit entgangen ist. Begeistert von den Ergebnissen bemerkt Dr. Matsubara: „Die von uns synthetisierten Selbstanordnungen ermöglichen eine effiziente Sonnenlichtabsorption zusammen mit der Migration und Übertragung von Anregungsenergie. Die Nachahmung der in der Natur beobachteten Anordnung von Chlorophyllpigmenten ist entscheidend, um nicht nur die natürliche Photosynthese zu verstehen, sondern auch künstliche zu konstruieren LH-Systeme für Geräte wie Solarzellen.“

Darüber hinaus könnte die durch externe Stimuli ausgelöste Strukturänderung von Nanofaser zu Nanoring dazu beitragen, neuartige intelligente Materialien mit einstellbaren Eigenschaften zu realisieren. Das Team sagte, dass weitere Untersuchungen zu den optischen Eigenschaften der selbstorganisierten Nanoringe im Gange seien.