以色列理工學院(Technion)與德國波鴻魯爾大學(Ruhr-Universität Bochum)的研究團隊日前成功克服生物光電化學電池(BIOcell)的能量轉換效率障礙，將分解水的光系統II酵素(Photosystem II, 簡稱PSII)和吸收光能的藻膽蛋白體(Phycobilisome, 簡稱PBSs)結合以共同作用。這項突破性研究能夠克服過去在生物太陽能設備中因綠光壁壘(Green-light gap)所導致的有限效能；該研究成果發表於國際期刊《Journal of Materials Chemistry A》。
利用綠色能源替代化石燃料已然成為全球趨勢：由於資源豐富且完全無污染物產生，太陽能被認為是一項極具價值的綠色能源。在自然界中細菌、藻類和植物都是藉由光合作用將太陽能有效轉化為化學能，BIOcell也運用相同原理將分離自植物、藻類或藍綠藻中的光系統II酵素用半合成的方式結合，以開發乾淨、可負擔且高效的能源。
不過僅包含光系統II酵素的BIOcell能量轉換效率有限，能量轉換效率是從電池中輸出的電能相對於進入的太陽光能量所計算的，僅具備光系統II酵素只能轉換特定波長的光，無法將構成可見光約50%的綠光轉換為能量；在藍綠藻和紅藻中，綠光可透過藻膽蛋白體的協助予以補償。藻膽蛋白體是在藍綠藻中發現的蛋白質結構，以吸收未被光系統II酵素中葉綠素分子吸收的光。藻膽蛋白體可作為吸光發送器，將太陽光導入光系統II酵素的反應中心。
德國波鴻魯爾大學光合作用分子機制研究計畫的負責人Marc Nowaczyk教授表示雖然光系統II酵素具有獨特機制，它的能量轉換效率卻受到限制，因為它只能使用部分太陽光，不過藍綠藻藉由形成特殊的藻膽蛋白體解決這項問題。但是這兩種蛋白質尚未在生物體以外的地方同時被發現。Technion化學工程學院的Noam Adir教授則補充說明就像自然界一樣，兩個研究團隊進行合作，將雙方在分離藻膽蛋白體與Nowaczyk教授在分離光系統II酵素的專業知識相結合，共同克服將兩種蛋白質整合到BIOcell中的障礙。
為了讓藍綠藻和植物光合作用在BIOcell中發揮作用，兩個團隊成功生產出一種結合藻膽蛋白體和光系統II酵素的生物電極，這更是跨物種間的結合。由德國波鴻魯爾大學的Volker Hartmann博士和以色列理工學院的Dvir Harris博士帶領的研究團隊利用交聯劑將光系統II酵素與藻膽蛋白體固定，進而穩定兩者間的交互作用。交聯劑(Crosslinkers)是指具有兩個或多個反應性末端的分子，能夠藉由化學鍵連接至蛋白質上的特定官能基。將光系統II酵素(PSIIs)與藻膽蛋白體(PBSs)交聯後，研究團隊便能夠將這超級複合物放入適當的電極結構中。
光系統II酵素與藻膽蛋白體所結合的超級複合物在氧化銦錫電極(MP-ITO)上的水凝膠中能夠提高光電轉換效率(IPCE)。與沒有此複合物的電極相比，綠光壁壘中的IPCE值增加一倍，且最高可達到10.9%。組裝這些蛋白質的能力是生物太陽能電池開發的一項突破，這意味著可將不同物種的蛋白質進行功能性組合，以創造具備雙方優勢的半合成系統。在未來的BIOcell研究，研究團隊將致力於優化生物組件的生產與使用效能。
資料來源：https://www.technion.ac.il/en/2020/07/photosynthesis-for-clean-energy/
