В поступке, который наверняка порадует и химиков, и людей, любящих метафоры о крошечных фабриках, исследователи сконструировали полый нанореактор CdS@полидопамин, имитирующий две ключевые особенности живых клеток. Дизайн, опубликованный в Journal of the American Chemical Society, предлагает свежий способ воспроизведения высокоорганизованных химических функций клеток внутри синтетических наноматериалов. Ведущий исследователь профессор Ли Кань из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) вместе с командой профессора Цзянь Лю из Университета Внутренней Монголии являются мозговым центром этого микроскопического чуда.

Клетки, по сути, являются оригинальными отличниками: они выполняют сложные биохимические реакции с исключительной эффективностью и точностью, разделяя компоненты в строго контролируемых пространствах. Ученые, никогда не позволяющие биологии затмить себя, теперь применяют эти принципы к инженерным наноматериалам. Эта область, называемая наноклеточной инженерией, направлена на создание клеткоподобных структур со специализированными поверхностями и внутренними порами или полостями. Эти синтетические системы, часто называемые нанореакторами, по сути, являются детищем клеточной биологии и нанотехнологий.

Новый нанореактор обладает двумя биомиметическими особенностями. Во-первых, он имеет динамическую редокс-пару катехол/о-бензохинон в своей полидопаминовой оболочке, которая действует как протонный ретранслятор, а не протонный насос. Эта пара ускоряет перенос протон-электрон (PCET), процесс, при котором протоны и электроны движутся синхронно. Во-вторых, он может похвастаться компартментализированной структурой: наноразмерной полой полостью, окруженной пористой оболочкой, создающей замкнутую среду, которая улавливает фотоны и позволяет реагентам накапливаться. Это как крошечная лаборатория на солнечной энергии с собственной комнатой ожидания.

Эти особенности помогают сбалансировать скорости реакций восстановления кислорода и окисления воды, двух полуреакций, которые должны работать в гармонии для производства перекиси водорода. Под видимым светом в водном растворе нанореактор достиг скорости фотосинтеза H2O2 3,24 ммоль гкат.-1 ч-1 и эффективности преобразования солнечной энергии в химическую 1,2%. Чтобы понять, как это работает, исследователи использовали спектроскопию in situ, фотохимический анализ, конечно-элементное моделирование и теоретические расчеты. Они также встроили нанореакторы в матрицу гидрогеля альгината натрия, создав твердые, пригодные для повторного использования фотокатализаторы, которые могут непрерывно синтезировать H2O2 под естественным солнечным светом, сохраняя стабильную производительность.

«Наше исследование предоставляет новую стратегию для разработки биомиметических нанореакторов, которые все больше воспроизводят сложные функции живых клеток, открывая новые возможности в искусственном фотосинтезе, энергетическом катализе и синтетической химии», - сказал профессор Ли. Так что в следующий раз, когда вы увидите растение, занимающееся своим фотосинтезом, просто помните: мы на шаг ближе к тому, чтобы делать это в пробирке, но с большим количеством полидопамина.