Learning how nature splits water

 

چگونه طبيعت آب را تکه تکه مي‌کند

Learning how nature splits water 

 این تصویر چرخه ی کتالیزی تکه تکه شدن آب را با ساختار  Mn4Ca در وسط نشان می دهد.

در حدود 3/2 بيليون سال قبل، باکتري‌هاي اوليه روشي را براي به کارگيري نور خورشيد براي تجزيه‌ي مولکول‌هاي آب به پروتون، الکترون و اکسيژن به وجود آوردند که اساس فوتوسنتز را تشکيل داد و به توليد اکسيژن جو و شکل هاي پيچيده‌تر حيات – يا به عبارت ديگر، جهان و زندگي کنوني آن – انجاميد.
 اکنون، دانشمندان با به دست آوردن ساختار دقيق کاتاليزگري متشکل از چهار اتم منگنز و تک اتم  کلسيم که اين واکنش تجزيه آب را به کار مي‌اندازد، گام مهمي در جهت شناخت اين فرايند برداشته اند. کار آن‌ها که به تفضيل در شماره 3 نوامبر 2006 مجله ساينس آمده است، مي‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا مولکول‌هايي را به طور مصنوعي بسازند که شبيه اين کاتاليزگر، و در توسعه فناوري‌هاي توليد انرژي تميز مبتني بر نور آفتاب براي تجزيه آب و تشکيل هيدروژن براي پرکردن سلول‌هاي سوخت ساير چشمه‌هاي قدرت بدون آلودگي اهميت فراوان دارد.

 به طور دقيق، يک گروه بين المللي به رهبري دانشمندان وزارت انرژي ايالات متحده در آزمايشگاه ملي برکلي  ساختارهاي با تفکيک زياد (تقريباً 15/0 انگستروم) از يک خوشه Mn4ca را به هم چسباندند که در يک ترکيب پروتئيني نور ساختي يافته بودند. اين گروه متشکل از دانشمندان دانشگاه‌هاي فني و آزاد در برلين، انستيتوي ماکس پلانک  در مولهايم  و آزمايشگاه تابش سنکروتروني استانفورد، از ترکيب ابتکاري طيف نمايي پرتو x و رمزنگاري پروتئين براي به دست آوردن ساختارهاي با بالاترين تکفيک کاتاليزگرهاي فلزي استفاده کردند.
به گفته يکي از افراد اين گروه، "اين اولين مطالعه‌اي است که طيف‌نمايي جذبي پرتو x و بلور نگاري را به تفصيل براي تعيين ساختار يک جايگاه فعال فلزي در پروتئين، به ويژه چيزي به پيچيدگي خوشه نور ساختي Mn4ca ترکيب مي‌کند.
 کاتاليزگر فلزي در يک ترکيب پروتئيني بزرگ، موسوم به فوتوسيستم II قرار دارد که در گياهان، جلبک‌هاي سبز، وسيانوباکتري‌ها يافت مي‌شود. اين سيستم يکي از کارآمدترين واکنش‌هاي اکسايش طبيعت را با استفاده از انرژي نور براي تجزيه‌ي آب به اکسيژن، پروتون، و الکترون به کار مي‌اندازد. به علت کارآمدي و اتکاي آن فقط به نور خورشيد، اين کاتاليزگر مورد توجه دانشمنداني است که روي توسعه چشمه‌هاي انرژي عاري از کربن کار مي‌کنند. با پي بردن به ساختار کاتاليزگر، و سپس طرز کار آن، شايد دانشمندان بتوانند مولکول‌هاي محکم مشابهي را به وجود آورند.
 اما تا کنون هر گونه تلاش در جهت تعيين ساختار اين کاتاليزگر به کمک پراش پرتو X و روش هاي مختلف طيف نمايي بي نتيجه مانده بود. حتي ساختاري با تفکيک 0/3 انگستروم که با همکاري گروه برکلي و دانشگاه‌هاي فني و آزاد آلمان با استفاده از پراش پرتو X به دست آمده بود، به دانشمندان امکان مشخص ساختن محل دقيق خوشه اتم هاي منگنز و کلسيم و بستي‌هاي اطراف آن را نمي‌داد. بخشي از مسئله ناشي از آن است که کاتاليزگر فلزي به شدت مستعد آسيب ديدن از تابش است که به کارگيري بررسي‌هاي پراش پرتو X با تفکيک با او را ناممکن مي‌سازد.
 يانو  و همکاران، براي کمينه کردن آسيب‌ تابش، اندازه‌گيري‌هاي طيف نمايي ساختار ريز جذب پرتو X را با داده‌هاي پراش پرتو X از مطالعات بلورنگاري به دست آمده در آزمايشگاه تابش سنکروترون استانفورد ترکيب کردند. در اين روش خوشه Mn4ca تحت تابش دوزهاي بسيار کم‌تري از تابش قرار مي‌گيرد، و به گروه امکان داد تا سه ساختار مشابه را با تفکيک بسيار بالاتر از آن چه قبلاً ممکن بود به دست آورند.
اين ساختارها نور جديدي به چگونگي قرار گرفتن کاتاليزگ در داخل ترکيب پروتئيني فوتوسيستم II بسيار بزرگتر تاباند. ساختارهاي پراش پرتو X با تفکيک متوسط براي تعيين شکل کلي و چگونگي قرار گرفتن کاتاليزگر در ترکيب پروتئين کافي هستند و اندازه‌گيري‌هاي طيف‌نمايي اطلاعات با تفکيک بالا در مورد فاصله سمتگيري کاتاليزگر را تأمين مي‌کند.
 اکنون يک ساختار واقعي به دست آمده است که ديگر مبتني بر حدس و گمان نيست. بنابراين مي توان شروع به گردآوري اطلاعات درباره چگونگي استفاده از نور خورشيد براي اکسايش آب به اکسيژن مولکولي کرد.
 دانشمندان اکنون مي‌دانند که براي اکسايش آب به اکسيژن، کاتاليزگر چهار مرحله را طي مي‌کند که هر يک از آن‌ها را جذب يک فوتون به راه مي‌اندازد. اکنون، مي‌توان فهميد که هر پيوند چگونه شکسته و تشکيل مي‌شود و چگونه مولکول‌هاي آب گام به گام، تکه تکه مي‌شوند. توان تفکيک بالاي ساختار هم اکنون سرنخ‌هايي را به دست داده است.
 به گفته يانو " ما دريافته‌ايم که ساختار حاصل بر خلاف ساختار با تفکيک 3 انگستروم به دست آمده از پرتو X  و ساير مدل‌هايي است که قبلاً پيشنهاد شده بود. ساختارهاي با تفکيک بالاتر احتمالاً در به دست‌آوردن شناخت مکانيکي از اکسايش آب اهميت دارند."
 سرانجام، اين کار اطلاعاتي را در مورد چشمه‌هاي انرژي تجديدپذير در اختيار پژوهشگران مي‌گذارد. بسياري از راهبردهايي که دانشمندان پيشنهاد مي‌کنند به چگونگي بيرون آوردن هيدروژن از آب بستگي دارد که يک حامل انرژي است. متأسفانه روش‌هاي فعلي استخراج هيدروژن از آب به الکتريسته يا متان نياز دارد که هر دو هزينه برند.
 "بدين سبب است که تکه تکه کردن آب در فوتوسنتز مبناي کارهاي بسياري را تشکيل مي‌دهد که اکنون در پژوهش‌هاي انرژي صورت مي‌گيرد به گفته ياچاندرا  " اين اساس کار ما را تشکيل مي‌دهد . ما تلاش مي‌کنيم بفهميم طبيعت چگونه کار مي‌کند تا بتوانيم همان اصول را در پژوهش انرژي تميز به کار ببريم."

ترجمه : منیژه رهبر

مرجع