Известно, что измерение электрического тока, возникающего в процессе фотосинтеза в отдельно взятой молекуле белка, крайне затруднительно. Однако совместная группа исследователей из Германии и Израиля в своей последней работе сообщает, что ей удалось это сделать: ученые предложили методику, позволившую измерить фототок молекулы в так называемой фотосистеме I.

Опубликованная работа будет иметь большое значение для разработки искусственных свето-собирающих систем, а также для изготовления своеобразных «электрических генераторов» для наноразмерных электрических цепей будущего.

Совместная группа ученых из Munich Technical University (Германия) и Tel Aviv University (Израиль) занималась изучением одной единственной фотосинтетической системы, известной как фотосистема I. Этот белковый комплекс состоит из хлорофилла (в него входит примерно 200 молекул хлорофилла). В природе комплекс находится в мембранах хлоропластов цианобактерий – микроорганизмов, использующих солнечный свет для производства химической энергии.

Известно, что начальные стадии этого процесса переработки энергии возможны, благодаря тому, что фотосинтетические белки поглощают свет и передают энергию и электроны. Также известно, что

фотосистема I имеет превосходные оптоэлектронные свойства, но встречаются такие системы только в природе. А в идеале ученые хотели бы использовать подобные системы в искусственных фотосинтетических устройствах, которые могли бы применяться, например, в нанотехнологиях, в частности, для питания наноразмерных систем в будущем.

Чтобы решить эту задачу на практике, ученым необходимо не просто воспроизвести биологическую структуру в лаборатории, а научиться измерять и контролировать фототок, порожденный одной молекулой. Именно эту задачу взяла на себя группа ученых из Германии и Израиля. Упомянутая группа разработала методику измерения такого тока путем электрического соединения одной молекулы белка в фотосистеме I (которая при этом была собрана на плоской поверхности золота) с покрытым металлом фрагментом стекла. Стекло в данном случае играет роль противоположного электрода и источника света одновременно.

При этом белковые молекулы функционализированы за счет цистеиновых групп, которые соединяют электроды при помощи ковалентной связи.

В описанной системе фототок через фотосинтетические белки измерялся с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа. Белки сначала оптически возбуждались при помощи потока фотонов, который направлялся через иглу микроскопа (при этом игла одновременно обеспечивала не только подвод фотонов, но и электрический контакт с установкой). После этого измерялся полученный фототок.

Возможности нового метода были подтверждены учеными экспериментально: исследователи смогли измерить фототок одной единственной молекулы. В данном случае он оказался равен 10 пА.

Таким образом, предложенная схема может использоваться для измерения характеристик других молекулярных цепей.