Pour capturer et utiliser l’énergie solaire, les végétaux ont développé la photosynthèse. Ce mécanisme leur permet d’utiliser le rayonnement UV comme source d’énergie, et ainsi alimenter les processus transformant le CO2 en oxygène. Récemment, une équipe de chercheurs a montré qu’il était possible de reproduire artificiellement certaines phases de la photosynthèse en utilisant des complexes d’ADN.
Alors que le monde lutte pour répondre à la demande croissante en énergie, associée aux niveaux croissants de CO2 dans l’atmosphère résultant de la déforestation et de l’utilisation de combustibles fossiles, la photosynthèsenaturelle ne peut tout simplement pas suivre le cycle du carbone. Mais que se passerait-il si nous pouvions aider le cycle naturel du carbone en tirant des leçons de la photosynthèse pour générer nos propres sources d’énergie sans générer de CO2 ?
Dans un article publié dans le Journal of American Chemical Society (JACS), une équipe de chercheurs dirigée par Hao Yan, Yan Liu et Neal Woodbury de la School of Molecular Sciences et du Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics de l’université d’Arizona, font état de progrès significatifs dans l’optimisation de systèmes imitant le premier stade de la photosynthèse, capturant et exploitant l’énergie lumineuse du Soleil.
Reproduire artificiellement le mécanisme de la photosynthèse
La première étape de la photosynthèse dans une feuille de plante est la capture de l’énergie lumineuse par les molécules de chlorophylle. L’étape suivante consiste à transférer efficacement cette énergie lumineuse vers la partie du centre de réaction photosynthétique où se déroule la chimie alimentée par la lumière. Ce processus, appelé transfert d’énergie, se produit efficacement dans la photosynthèse naturelle dans le complexe d’antennes.
À l’instar d’une antenne de radio ou de télévision, le complexe d’antennes photosynthétiques consiste à recueillir l’énergie lumineuse absorbée et à la canaliser au bon endroit. Comment est-il possible de développer nos propres complexes d’antennes de transfert d’énergie, c’est-à-dire des structures artificielles qui absorbent l’énergie lumineuse et la transfèrent à distance où elle peut être utilisée ?
« La photosynthèse a maîtrisé l’art de collecter l’énergie lumineuse et de la déplacer sur de grandes distances, jusqu’au bon endroit, pour permettre une chimie dirigée par la lumière. Le problème des complexes naturels est qu’ils sont difficiles à reproduire du point de vue de la conception ; nous pouvons les utiliser comme ils sont, mais nous voulons créer des systèmes qui servent nos propres objectifs » déclare Woodbury.
« En utilisant certaines des mêmes astuces que la nature, mais dans le cadre d’une structure d’ADN que nous pouvons concevoir avec précision, nous surmontons cette limitation et permettons la création de systèmes de récupération de la lumière qui transfèrent efficacement l’énergie de la lumière là où nous la voulons ».
L’ADN comme support structurel à la photosynthèse artificielle
Le laboratoire de Yan a mis au point un moyen d’utiliser l’ADN pour assembler lui-même des structures pouvant servir de modèles pour l’assemblage de complexes moléculaires avec un contrôle presque illimité sur la taille, la forme et la fonction. En utilisant des architectures d’ADN comme modèle, les chercheurs ont été en mesure d’agréger des molécules de colorant dans des structures qui capturent et transfèrent de l’énergie sur plusieurs dizaines de nanomètres, avec une perte d’efficacité inférieure à 1% par nanomètre.
De cette manière, les agrégats de colorant imitent la fonction du complexe d’antenne à base de chlorophylle dans la photosynthèse naturelle, en transférant efficacement l’énergie lumineuse sur de longues distances depuis l’endroit où elle est absorbée jusqu’à celui où elle sera utilisée. Afin d’étudier plus en détail les complexes de collecte de lumière biomimétiques basés sur des nanostructures auto-assemblées de colorant-ADN, Yan, Woodbury et Lin ont reçu une subvention du ministère de l’Énergie (DOE).
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Lors de travaux antérieurs financés par le DOE, Yan et son équipe ont démontré l’utilité de l’ADN pour servir de modèle programmable pour l’agrégation de colorants.
Pour tirer parti de ces découvertes, ils utiliseront les principes photoniques sous-jacents aux complexes de collecte de lumière naturelle pour construire des structures programmables basées sur l’autoassemblage de l’ADN, fournissant ainsi la plate-forme flexible nécessaire à la conception et au développement de systèmes photoniques moléculaires complexes.
Dans cette vidéo, les chercheurs expliquent leurs travaux :
Les résultats potentiels de cette recherche pourraient révéler de nouvelles façons de capter l’énergie et de la transférer sur de plus longues distances sans perte nette. À son tour, l’impact de cette recherche pourrait ouvrir la voie à la conception de systèmes de conversion d’énergie plus efficaces, qui réduiront notre dépendance aux combustibles fossiles.
