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.

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.

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.

2. 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.

3. 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

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

Dr. Nagy László egyetemi docens, csoportvezető