استخراج پروتئین فتو سیستم از اسفناج توسط پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت ایران

  سیده طلیعه غیاثی، امیر بهادر زینلی، ستاره کاظم زاده دانشجویان کارشناسی ارشد فیزیک شاخه حالت جامد دانشگاه علم و صنعت ایران با راهنمایی مشترک دکتر رسول اژئیان(سرپرست آزمایشگاه لایه نازک دانشگاه علم و صنعت ایران) و دکتر غلامحسین ریاضی(سرپرست آزمایشگاه نئوارگانیک انیستیتو بیو فیزیک و بیو شیمی دانشگاه تهران) موفق به استخراج پروتئین فتوسیستم 1 از اسفناج شده اند.

  فوتوسنتز فرآیندی چندمرحله ای است که با دریافت انرژی فوتون های فرودی توسط کلروفیل های موجود در کمپلکس های جمع کننده ی نور( LHCP ) آغاز می گردد. مجموعه ی حاوی پروتئین و رنگدانه های کلروفیل و کاروتنوئید، فتوسیستم نام دارد که مرکز فرآیند فوتوسنتز می باشند. دو نوع فتوسیستم 1و 2، با نقشی مکمل به همراه پروتئین ها و آنزیم های واسط، چرخه ی تبدیل انرژی را تکمیل می کنند. فتوسیستم ها، فوتودیود های بی نقص طبیعی هستند ،که پس از جذب انرژی فوتونها برانگیخته شده و با سرعت و بازدهی بسیار بالا به جفت ویژه ای از کلروفیل ها (P₇₀₀ )  می رسند و موجب تولید اکسایتون ( الکترون- حفره مقید) در این ناحیه می گردند. سپس در زمان کوتاه 10 الی 30 پیکوثانیه این اکسایتون ها به حامل های بار آزاد ( الکترون و حفره آزاد) تجزیه شده و پس از این جدایی ، الکترونهای برانگیخته در P₇₀₀  به عنوان دهنده ی الکترون، در طول زنجیره ی با پیوندهای مضاعف به سمت بخش گیرنده ی الکترون در ساختار فتوسیستم شروع به حرکت کرده و نهایتاً به خوشه های سولفید آهن (4Fe-4S) ، می رسند. ویژگی‌های منحصر بفرد فتوسیستم1 از قبیل ضریب جذب بالای نور خورشید, بازدهی کوانتمی نزدیک به 100% ، توانایی ایجاد اختلاف پتانسیلی در حدود 1  ولت، این فوتودیود را ماده فعال مناسبی برای سیستم های فوتوولتائیک می سازد.

  جذب فوتون، برانگیختگی و انتقال الکترون در فتوسیستم1

  اخیراً برخی از گروه‌های دانشگاهی دنیا، مستقل از هم با استخراج پروتئین فتوسیستم1 (PS1) از برگ گیاهان و یا از باکتری ها، تحقیقاتی را در زمینه ی ساخت سیستم های بیوفوتوولتائیک آغاز کرده اند. نتایج این تحقیقات، از عملکرد قابل توجه فتوسیستم ها در سلول های خورشیدی الکترولیتی و حالت جامد از سازگاری این کمپلکس ها با لایه های گرافن، نانولوله های کربنی و سایر ترکیبات متداول در سیستم های فوتو ولتائیکی حکایت می کند. اگرچه بازدهی این سلول‌های خورشیدی بیوهیبریدی نسبت به انواع دیگر سلول های خورشیدی پائین تر است، اما با توجه به فراوانی و زیست سازگاری فتوسیستم ها به عنوان ماده ی فعال، دور نمایی مناسب را پیش روی بشر می‌گذارد. در تحقیقات اخیر دانشگاه Vanderbilt آمریکا، کمپلکس پروتئین PS1 برای افزایش جذب نور خورشید در سلول‌های معدنی پایه سیلیسیومی مورد توجه قرار گرفت و به دلیل‌افزایش بازدهی قابل توجه مشاهده شده، گزارش‌هایی از آن در مجله معتبر Advanced Materials ^{منتشر شده است [1].}

  هم چنین اولین گزارش در زمینه ی ساخت سلول بیوفوتوولتائیک حالت جامد با استفاده پروتئین فتوسیستم1، استخراج شده از نوعی باکتری (سیانو باکتری)، توسط دانشگاه Groningen در هلند در سال 2014 منتشر شده است[2]. در این سلول از PS1 به عنوان ماده فعال، یعنی ماده‌ای 

که خود در جذب فوتون، جدایی حاملین بار و انتقال آنها بصورت مستقیم دخالت دارد، استفاده شده است. اگرچه راندمان این سلول پائین است، اما به عنوان اولین کارمنتشر شده، شایان توجه می باشد. همزمان در ایران نیز برای نخستین بار با مشارکت دو مرکز دانشگاهی فعالیت قابل توجهی در زمینه استخراج پروتئین فتوسیستم1 (PS1) از اسفناج و ساخت دو نوع سلول بیوفوتوولتائیک الکترولیتی و حالت جامد انجام گرفته است. اگرچه گزارش کار محققین ایرانی در این مورد هنوز منتشر نشده است، اما نتایج به دست آمده افزایش قابل توجه بازدهی سلول‌های ساخته شده با پروتئین اسفناج را در ساختار نوین این سلول ها نشان می‌دهد.

  امروزه شاهد گرایش ویژه ای به سمت به کارگیری ساختارهای زیستی و بیومولکولها در سیستم های فوتوولتائیک هستیم. علاوه بر آنچه ذکر شد، فعالیتهایی نیز در زمینه‌ ی انواع دیگر سیستم های بیوفوتوولتائیک مانند سلول‌های سلولزی تولید شده از ساقه‌های گیاهان در چند مرکز معتبر دنیا مانند دانشگاه Georgia آمریکا توسعه یافته که نتایج آن در سال های 2013 و 2014به چاپ رسیده اند[3و 4].

  استفاده از مواد زیستی و غیر آلاینده امکان ساخت سلول‌های آلی ارزان، انعطاف پذیر، تجدید پذیر و زیست سازگار را فراهم کرده است. اگرچه تأمین انرژی الکتریکی از سوخت هیدروکربن‌های فسیلی هنوز با راندمان بیشتری از سلول‌های فوتوولتائیک آلی، معدنی و بیوفوتوولتائیک تولید می‌شوند، اما با نظری عمیق‌تر به آلایندگی‌های سوخت‌های فسیلی و ارزش افزوده ی بالقوه هدررفته هیدروکربن‌های با ارزش آلی، برق فسیلی فوق العاده گرانتر از برق خورشیدی است. آلاینده‌های خروجی از نیروگاه های برق فسیلی، عوارض متعددی را در محیط زیست ایجاد می کنند، که یکی از آنها امراض گوناگونی است که ضمن آسیب رسانی به سلامت و کیفیت زندگی مردم، هزینه درمانی خانواده را نیز افزایش می دهد. گذشته از این با تبدیل این هیدوروکربن‌ها به لاستیک های پیشرفته مانند پلیمرهای رسانا و نیمه رسانای آلی ارزش افزوده ی چندین هزار برابری بالقوه آنها، بالفعل درآمده و از هدررفتن آنها به عنوان سوخت بخاری ها و نیروگاه‌های فسیلی جلوگیری می شود. برای مثال یک گرم ماده آلی فعال سلول خورشیدی مانند PCBM بیش 3000 دلار قیمت دارد. اگر هدر رفتن ارزش واقعی قابل افزایش هیدرو کربن های فسیلی، هزینه‌های درمان بیماری های ناشی از پسماند آنها و همچنین نابودی آثار باستانی در اثر باران‌های اسیدی را بر قیمت برق فسیلی سرشکن کنیم، برق فسیلی به هیچ وجه مزیت قیمتی هم نخواهد داشت.

  هیدروکربن‌های فسیلی به عنوان طلای سیاه در زمره ثروت‌های زیرزمینی تجدیدناپذیر میراث آیندگان است که سوزاندن بی رویه آن در نیروگاه‌های فسیلی ما ظلمی آشکار نه تنها در حق نسل آینده ی کشورهای نفت خیز، بلکه بر تمام نسل‌های آینده ی بشری می باشد. لذا به نظر میرسد استفاده از انرژی های سازگار با محیط زیست و تجدید پذیر مانند سیستم های بیوفوتوولتائیک، ضمن تامین قسمتی از انرژی مورد نیاز بشر، دورنمای مناسبی برای بقای نسل ها، حفظ سلامت محیط زیست، عدم کاهش ذخائر آب شیرین، جلوگیری از گرمایش زمین در اثر گازهای گلخانه ای را ترسیم کند. گام بعدی تحقیقاتی می بایستی در جهت توسعه و افزایش راندمان تبدیل فوتون های نور خورشید به الکتریسیته در سیستم های بیو فوتو ولتائیکی برداشته شود. مطالعه ی رفتار شگفت انگیز برگ درختان می تواند راهنمای مناسبی در افزایش بهره وری سلول های بیوفوتوولتائیک باشد.

  گفتنی است، از ابتدای آفرینش بشر، طبیعت همواره الگو و راهنمایی مناسب برای آموزش بوده است. طبیعتی شامل گیاهان و حیواناتی که طی هزاران سال تکامل، بستری مناسب برای زندگی انسان فراهم کرده‌ و نقش کارآمد آن با گذشت زمان، حتی با ورود تکنولوژی‌های پیشرفته ی امروزی هم‌چنان پابرجا باقی مانده است. در این میان شاهد هستیم که مهمترین چرخه ی حیات، یعنی فتوسنتز، با دریافت انرژی خورشیدی در طبیعت ادامه می یابد و این انرژی بعد از تبدیل به انرژی الکتریکی طی زنجیره های پربازده ی انتقال الکترون به انرژی شیمیایی و سپس به کربوهیدرات ها و سایر ترکیبات آلی تبدیل می گردد. فرآیند بی نقص فوتوسنتز، در ساختار گیاهان، جلبک ها و بسیاری از باکتری ها که از کامل‌ترین و ایده‌آل‌ترین کارخانه‌ های طبیعی تولید انرژی هستند، الهام بخش محققان برای ساخت سیستم های فوتوولتائیک بوده است.