Na és akkor mit is építettek pontosan?
Gondolj bele: egy pici üreges gömb, annyira kicsi, hogy szabad szemem nem láthatod. A héja valami olyan anyagból van, ami a kagylóknak ahhoz a csodálatos képességéhez hasonlít, ahogy a sziklákhoz tapadnak. Eben a parányi szerkezetben a tudósok egy úgynevezett nanoreaktort hoztak létre – tulajdonképpen egy zsebköny méretű kémiai műhely, ami a természettől tanul.
A kutatást Prof. Li Can vezette a Dalian-i Kémiai Fizikai Intézetben, és az eredményeik a Journal of the American Chemical Society című rangos folyóiratban jelentek meg. Hát, mit is mondjak – igencsak figyelemre méltó, amit elértek.
Miért rajonganak ennyire a tudósok a sejtek másolásáért?
A lényeg az, hogy az élő sejtek egyszerűen lenyűgöző kémiai gyárak. Egyetlen sejten belül több ezer reakció zajlik le egyszerre, olyan pontos időzítéssel és hatékonysággal, amire a legjobb laboratóriumaink is csak törekszenek. A titok? Minden apró rekeszekbe van szerveződve, és a molekulák pontosan oda jutnak, ahova kell.
Tudósok évtizedek óta próbálják utánozni ezt a molekuláris rendet mesterséges anyagokban. És van is értelme: ha sikerülne olyan mesterséges rendszereket építeni, amelyek úgy működnek, mint a sejtek, számos kémiai folyamatot sokkal hatékonyabban lehetne végezni. Például hasznos vegyi anyagokat lehetne előállítani kizárólag napfény segítségével.
A két okos trükk, amit ez a nanoreaktor használ
A kutatócsapat két különleges tulajdonsággal ruházta fel a találmányát, hogy sejtszerűen működjön.
Első trükk: proton relay rendszer. A nanoreaktor héja tartalmaz egy speciális kémiai párost, amely képes protonokat (a pozitív töltésű részecskéket) megkötni és leadni, újra és újra. Úgy képzeld el, mint egy molekuláris fuvarozási szolgáltatást – segít a protonok gyors mozgatásában, ami felgyorsítja a teljes reakciót. Az élő sejtekben hasonló rendszerek segítik az energiaátadást, és most a tudósok megépítették a szintetikus változatát.
Második trükk: Térbeli elkülönítés. A nanoreaktor nem tömör részecske – belül üres, és egy porózus héj veszi körül ezt az üreget. Ez egy kis zsebet hoz létre, ahol a molekulák összegyűlhetnek, kölcsönhatásba léphetnek és reakcióba léphetnek egymással. Olyan ez, mint amikor a sejt különböző folyamatokat különböző sejtszervecskékben tart. Ez a bezártság teszi hatékonyabbá a reakciókat.
Napfényből hidrogén-peroxid
Most jön a gyakorlati rész: mit is csinál ez a nanoreaktor a valóságban?
Hidrogén-peroxidot állít elő – azt a vegyületet, ami valószínűleg ott van a fürdőszobai szekrényedben, barna üvegben. De a hidrogén-peroxid valójában rendkívül sokoldalú anyag. Használják papír fehérítésére, szennyvízkezelésre, fertőtlenítőszerként is. A probléma az, hogy előállítása általában drága berendezéseket és rengeteg energiát igényel.
Ez a nanoreaktor? Egyszerűen napfénnyel és vízzel állítja elő a hidrogén-peroxidot. Nincs szükség fosszilis tüzelőanyagra, nagy energia-bevitelre, csak a jó öreg napfény végzi a munkát.
A számok meggyőzőek ebből a kutatásból. Látható fény alatt a rendszer 3,24 millimol per gramm per óra sebességgel állította elő a hidrogén-peroxidot, 1,2%-os napfény-kémiai átalakítási hatékonysággal. Lehet, hogy kicsinek tűnnek ezek a számok, de egy ilyen fotokatalitikus rendszer esetében egész jók.
Hogyan lesz ez használható a valódi világban?
Az, ami igazán tetszik ebben a kutatásban: a tudósok nem csak egy szép laboratóriumi kísérletet hoztak létre. Egy lépéssel tovább mentek, és a nanoreaktoraikat nátrium-alginát hidrogél mátrixba ágyazták be – lényegében egy környezetbarát, zselészerű anyagba.
Ez a megoldás szilárd, újrahasznosítható fotokatalizátorrá alakítja a rendszert, amely képes folyamatosan hidrogén-peroxidot előállítani valódi természetes napfény felhasználásával. Olyan ez, amit végül fel lehetne skálázni valódi alkalmazásokra – legyen szó ipari vegyi anyagok előállításáról vagy szennyezett vizek tisztításáról.
Mit jelent mindez?
Prof. Li találóan fogalmazott, amikor azt mondta, hogy ez a munka „új lehetőségeket nyit a mesterséges fotoszintézis, az energia-katalízis és a szintetikus kémia területén." És szerintem igazán van oka az izgatottságra.
Nem fogjuk holnap látni, ahogy hidrogén-peroxid gyárak működnek ezekkel a nanoreaktorokkal. De ez a kutatás fontos lépés előre afelé, hogy mesterséges rendszereket építsünk, amelyek úgy működnek, ahogy a természet – hatékonyan, fenntarthatóan és figyelemre méltó pontossággal.
Néha a leginspirálóbb tudomány nem a természet pótlásáról szól, hanem arról, hogy tanuljunk tőle. És ebben az esetben a tudósok a biológia jegyzetfüzetéből lapoztak két oldalt, és valami igazán újat hoztak létre.
Elég menő, ugye? Az a gondolat, hogy parányi gyárakat építhetünk, amelyek úgy működnek, mint a sejtek – napfény felhasználásával állítanak elő hasznos vegyi anyagokat –, olyan, mintha a jövőben élnénk.