Einzelner Proteinkomplex erzeugt Strom: Solarzelle aus einem Molekül

Die Physiker konnten zeigen, dass ein einzelnes Photosystem-Protein als Baustein in photoaktive Nanoschaltkreise integriert und direkt angesteuert werden kann. Dabei behält das Protein seine optischen Eigenschaften. Es fungiert als lichtgetriebene hocheffiziente Elektronenpumpe und kann als Stromgenerator in winzigen elektrischen Bauelementen dienen (Nature Nanotechnology).

Die Wissenschaftler untersuchten das Chlorophyll-Protein Photosystem I, welches in den Membranen von Chloroplasten in Blaualgen zu finden ist. Pflanzen, Algen und Bakterien benutzen Photosynthese, um Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln. Die ersten Schritte dieses Prozesses, bei denen das System Licht absorbiert und die aufgenommene Energie in eine Elektronenbewegung, also einen Stromfluss, übertragen wird, findet in photosynthetischen aktiven Proteinen statt, die sich aus Chlorophyllen und Carotinoiden zusammensetzen.
Bisher gab es kein Messsystem, mit dem man einzelne Moleküle elektrisch kontaktieren und sie gleichzeitig sehr starken optischen Feldern aussetzen konnte und das empfindlich genug war um diesen winzigen Strom aus einem einzelnen Protein zu messen. Nach der Absorption eines Photons wird ein Elektron mit einer Effizienz von nahezu 100% von der einen Seite des Proteins zur anderen übertragen. Durch die winzigen Dimensionen eignet sich dieses System auf der Nanometerskala für Anwendungen in der Optoelektronik, bei dem Licht in elektrischen Strom umgewandelt werden soll.

Für die Wissenschaftler bestand die erste Herausforderung darin, eine Methode zu finden, mit der sich einzelne Moleküle in starken optischen Feldern kontaktieren lassen. Zentrales Element der Messvorrichtung sind Proteine, die sich selbst auf einer Oberfläche anordnen und kovalent über eine Cysteingruppe an diese anbinden. Der Photostrom wird dann mit einem sehr dünn mit Metall beschichteten Glasfragment gemessen, wie es in der Nahfeldmikroskopie benutzt wird. Dieses Glasfragment dient gleichzeitig als elektrischer Kontakt und als Lichtquelle. Licht wird durch die Innenseite des Glasfragments zum Protein geleitet und die sehr kleinen optisch angeregten Ströme können gemessen werden.

Das Forschungsprojekt wurde finanziell unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft über SPP 1243 (Projekte HO 3324/2 und RE 2592/2), den Exzellenzclustern Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) und Nanosystems Initiative Munich (NIM) sowie dem ERC Advanced Grant MolArt 43 (no. 47299).

Originalpublikation:
Photocurrent of a single photosynthetic protein
Daniel Gerster, Joachim Reichert, Hai Bi, Johannes V. Barth, Simone M. Kaniber, Alexander W. Holleitner, Iris Visoly-Fisher, Shlomi Sergani, and Itai Carmeli

Links: http://dx.doi.org/http://www.nature.com/

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Dr. Joachim Reichert,
Technische Universität München
Physik-Department E20
James-Franck Straße, D-85748 Garching, Germany
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E-Mail: joachim.reichert@tum.de – Internet: http://www.e20.ph.tum.de/

Prof. Alexander W. Holleitner
Technische Universität München
Walter Schottky Institut – Zentrum für Nanotechnologie und Nanomaterialien
Am Coulombwall 4a, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 11575 – Fax: +49 89 289 12600
E-Mail: holleitner@wsi.tum.de – Internet: http://www.wsi.tum.de

Dr. Itai Carmeli
Tel Aviv University
Center for NanoScience and Nanotechnology and School of Chemistry,
Tel Aviv 69978, Israel.
Tel.: +972-3-6405704 – Fax: +972-3-6405612
E-Mail: itai@post.tau.ac.il – Internet: http://www.tau.ac.il