bionano1

A természet napelemei biohibridekben

Beszámoló az Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet Nano-bionika Kutatócsoportjának legfrissebb eredményeiről.

Egy igazán különleges tulajdonságokkal rendelkező fehérje van a kezünkben. Nagyjából 10 nm a jellemző mérete, tehát tipikusan a „nano”-nak nevezett anyagok közé tartozik. Teljesítménye abszolút kivételes; a fehérjében majdnem minden egyes elnyelt foton egyetlen töltéspárt hoz létre (kvantumhatásfoka tehát majdnem 100%, és ha a megfelelő energiájú fotonnal gerjesztjük, akkor az energiahatásfoka is az), szolgálva ezzel a napenergia kémiai energiává alakítását a biológiai rendszerekben. Elképesztő még belegondolni is abba, és egyáltalán nem túlzás azt állítani, hogy az a fehérje van a kezünkben, amelynek az „egy foton – egy elektron” működése biztosítja a bioszféra egészének a működését. Ez az energiainput szolgáltatja a földtörténeti korokban keletkezett és nagyrészt napjainkban használt fosszilis tüzelőanyagokat, a bioszféra biomasszájának jelenlegi összes állományát és a biológiai rendszerek működéséhez szükséges szabadenergiaforrásokat is.


Ez a fehérje a fotoszintetikus reakciócentrum fehérje (RC). Lényegében azt csinálhatunk vele, amit csak akarunk. Megfoghatjuk egyenként, áthelyezhetjük, sorba rakhatjuk, szétszedhetjük, összerakhatjuk, hozzá „ragaszthatjuk” bármihez – úgy hogy az alapvető működőképességét még így is megőrzi. Ezeket az ún. biohibrid anyagokat a jövő anyagjaiként is szokták emlegeti, és tanulmányozásuk rendkívül fontos: Nem csak az ígéretes speciális optoelektronikai, fotonikai alkalmazások miatt, hanem azért is, mert a határfelületeken történő reakciók (pl. természetes és épített környezetünkben lejátszódó korróziós folyamatok, illetve az emberi szervezetekben levő beépített anyagok (implantátumok) kompatibilitásának a) tanulmányozására is lehetőséget kínál.


bionano1a
A fotoáram mérésére alkalmas berendezés vázlata. A jobboldali kinagyított rész a RC fehérjével érzékenyített porózus szilícium elektródot mutatja. A grafikus munkát Mathesz Anna, a Fizika Intézet volt hallgatója készítette.


A fehérjében a fény elnyelése következtében gerjesztett, ezáltal szabadenergiával rendelkező elektron keletkezik, amely alkalmas rendszerben „munkára fogható”. Ha a RC fehérjét vezető, félvezető anyaghoz kapcsoljuk, akkor az elektron a vezetőben folyó áramhoz hozzájárulhat (fotoáram keltése), amivel elektromos munka végezhető. Kémiai rendszerekben oxidációs/redukciós folyamatokban kémiai munkavégzéshez is használható.


bionano1b
A kép akár a tavaszváró rügyező orgonaágról is készülhetett volna, de nem az. A szén nanocsövekhez rögzített RC fehérje atomerőmikroszkópos képét mutatja. A felvétel az SZBK Biofizika Intézetében (Váró György laboratóriumában) készült Bálint Zoltán, Dorogi Márta és Nagy Krisztina közreműködésével.


Kísérleteinkben a tisztított fehérjét a különböző újgenerációs alkalmazási lehetőségek keresése céljából különféle „nano hordozó” felületekhez kötöttük, és a töltésátadás tulajdonságait határoztuk meg. A közel 20, ebben a témakörben, a tudományterület által elismert folyóiratokban eddig megjelent publikációinkat 2021-ben a következő néggyel gyarapítottuk.


  1. A fotoszintetikus reakciócentrum fehérje/grafén biohibrid anyag optoelektronikai alkalmazási lehetőségeit mutattuk meg. Megmutattuk, hogy ha a fotoszintetikus reakciócentrumot grafén lapkák felületéhez kötjük, a RC-ban keletkező töltéspár elektromos tere befolyásolja a grafén elektromos vezetőképességét.


Megjelent: Tibor Szabo, Radmila Panajotović, Jasna Vujin, Tijana Tomašević-Ilić, Ieva Bagdanavičiūtė, Greta Urbonaitė, Richard Cseko, Klara Hernadi, Gyorgy Varo and Laszlo Nagy (2021) Photosynthetic reaction-center/graphene biohybrid for optoelectronics, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 21, 2342-2350, DOI: 10.1166/jnn.2021.18976.


  1. Egy másik kísérletben megmutattuk, hogy a titán-dioxid/wolfram-trioxid nanokristályok fotokatalitikus hatékonyságát szabályozhatjuk a hozzá kapcsolt fotoszintetikus reakciócentrumfehérjével.


Megjelent: Bíborka Boga, István Székely, Monica Focșan, Monica Baia, Tibor Szabó, László Nagy, Zsolt Pap (2022) Sensor surface via inspiration from Nature: The specific case of electron trapping in TiO2/WO3(∙0.33H2O) and reaction center/ WO3(∙0.33H2O) systems, Applied Surface Science, 572, 151139, DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.


  1. A porózus szilícium nem csak a már a szilíciumtól megszokott félvezető tulajdonsága miatt fontos, hanem a különleges szerkezetéből következő kiváló fotonikai, optoelektronikai tulajdonságai miatt is. Egyik különleges formája az a szerkezet, amikor szilícium felületén nagyon szabályosan rendezett oszlopszerű (ún. pillar) szerkezet adja a porozitást. Megmutattuk, hogy a reakciócentrum fehérje ilyen szerkezethez rögzíthető, és a benne végbemenő töltéspár a szilícium félvezető/fotonikai/optoelektronikai tulajdonságaival kapcsolatban van.

A publikáció az Európai Fotobiológiai Társaság lapjában jelent meg, amely társaságnak a Biofizikai Tanszék alapító tanszékvezetője Szalay László Professzor több éven át vezetőségi tagja volt. Ezt a publikációt ezért az ő emlékének is dedikáltuk.


Megjelent: Kata Hajdu, R. Fabiola Balderas-Valadez, Alessandro Carlino, Vivechana Agarwal, László Nagy (2021) Porous silicon pillar structures/photosynthetic reaction centre protein hybrid for bioelectronic applications, DOI: 10.1007/s43630-021-00121-y


  1. Ezen kísérletek összefoglalása/áttekintése céljából egy könyvfejezetet készítettünk, amely megjelenés alatt van a Jenny Stanford Publishing Pte Ltd kiadónál.


A kutatásokhoz hozzájáruló intézetek:

  • ATOMKI, Debrecen

  • Babes-Bolyai Egyetem, Kolozsvár

  • CIICAp- Universidad Autonoma del Estado de Morelos, Cuernavaca, Mexico

  • Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biologiche e Ambientali, University of Salento, Lecce, Italy

  • Faculty of Natural Sciences, Vytautas Magnus University, Kaunas, Lithuania

  • Institute for Interdisciplinary Research on Bio-Nano-Sciences, Kolozsvár

  • Institute of Physics, University of Belgrade, Belgrade, Serbia

  • Laboratory for Analysis and Architecture of Systems-Microelectromechanical Systems, Toulouse, France

  • SZBK, Növénybiológiai Intézet

  • SZBK, Biofizikai Intézet

  • SZTE, Alkalmazott és Környezetkémiai Tanszék

  • SZTE, Fizika Intézet

  • SZTE, Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

A kutatásban résztvevő hallgatók:

Alessandro Carlino (MSc, Lecce), Boga Bíborka (MSc, Babes Bolyai Egyetem), Csekő Richárd (BSc, SZTE), Greta Urbonaitė (BSc, Kaunas), Ieva Bagdanavičiūtė (BSc, Kaunas), Jasna Vujin (PhD, Belgrádi egyetem), Tóth Antónia (BSc, SZTE)


Támogató projektek:

- Bursă Specială pentru Activitatea Științifică’ scholarship

- CNCS–UEFISCDI project (PN-III-P1-1.1-MC-2018-3361)

- EFOP-3.4.3-16-2016-00014

- Eotvos Lorand Research Network (ELKH KU-37/2020)

- ERASMUS

- GINOP-2.3.2.-15-2016-00009, 'ICER'

- Ministry of education, science and technological development of the Republic of Serbia (OI171005)

- MTA “Domus Junior” scholarship

- OTKA FK-139067, K-128679, OTKA KH124985



Dr. Nagy László egyetemi docens, csoportvezető





Kövess minket



instagramYouTube


Friss hírek

smauszt

Lézerfizikus kollégánkkal az erdélyi FIRKA folyóiratban jelent meg interjú.

VarjuK

Az ELI-ALPS tudományos igazgatója, Intézetünk munkatársa az MTA idei Közgyűlése alkalmából részesült a megtisztelő elismerésben.