Τα τελευταία χρόνια, το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας έχει στραφεί στην ανάπτυξη και το σχεδιασμό νέων συνθετικών συστημάτων που καταλύουν αντιδράσεις χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια ως μόνη πηγή ενέργειας. Αυτές οι καινούριες τεχνολογίες είναι καταλυτικά ενεργές σε αντιδράσεις όπως οξείδωση υδρογόνου, αναγωγή οξυγόνου ή διάσπαση νερού σε μοριακό O2 και Η2. Διάφορες μελέτες έχουν δείξει ότι ο συνδυασμός φωτοευαισθητοποιητών και ενζύμου μπορεί να υποστηρίξει αντιδράσεις όπως αναγωγή Ο2 ή οξείδωση Η2.
Η φωτοσύνθεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που λαμβάνει χώρα στα φυτά όπου το ηλιακό φως είναι η πηγή της ενέργειας που πυροδοτεί την αποσύνθεση του νερού σε μοριακό οξυγόνο και υδρογόνο. Η αντίδραση απεικονίζεται παρακάτω 2Η2Ο → 2Η2 + Ο2.
Μιμούμενοι τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης, η χρήση της ηλιακής ενέργειας μπορεί να εφαρμοστεί στην κατάλυση και σε φωτοβολταϊκές κυψελίδες. Στόχος μας είναι να αναπτύξουμε σταθερά συστήματα τροφοδοτούμενα από το φως του ήλιου που συσχετίζουν ένα δότη ηλεκτρονίων με μια μονάδα ικανή να αντιδράσει με το οξυγόνο. Οι φωτοευαισθητοποιητές είναι εξαιρετικοί υποψήφιοι ως φορείς ηλεκτρονίων επειδή είναι ικανοί στη συγκομιδή ηλιακής ενέργειας. Από την άλλη πλευρά, μεταλλοένζυμα όπως η λακκάση λειτουργούν ως «καταλυτικές μονάδες οξυγόνου".
Στην παρούσα μελέτη, αναφέρουμε δύο υβριδικά φωτοκαταλυτικά συστήματα σχεδιασμένα για να λειτουργούν στην φωτοεπαγόμενη αναγωγή μοριακού οξυγόνου. Το πρώτο σύστημα –το αποκαλούμενο εμβολιασμένο σύστημα- περιέχει ένα φωτοευαισθητοποιητή ομοιοπολικά συνδεδεμένο στην επιφάνεια ενός ενζύμου (λακκάση). Στο δεύτερο σύστημα η β-κυκλοδεξτρίνη είναι εμβολιασμένη επί της λακκάσης και ένας κατάλληλος φωτοευαισθητοποιητής χρησιμοποιήθηκε για να εισαχθεί μέσα στην κοιλότητα της κυκλοδεξτρίνης, αποδίδοντας με αυτόν τον τρόπο ένα υπερμοριακό σύστημα. Οι πορφυρίνες (Zn-P και COOCH3_NH_Pyrene ειδικότερα) επελέγησαν ως φωτοευαισθητοποιητές δεδομένου ότι επιδεικνύουν υψηλή σταθερότητα, υψηλή απορρόφηση στο ορατό φάσμα και εμφανίζουν μεγάλη διάρκεια ζωής σε διεγερμένες καταστάσεις τους. Οι λακκάσες, από την άλλη πλευρά, είναι ανθεκτικές οξειδοαναγωγάσες που καταλύουν την οξείδωση διαφόρων οργανικών και ανόργανων υποστρωμάτων με την ταυτόχρονη αναγωγή του οξυγόνου σε νερό ως παραπροϊόν (άφθονο, ασφαλές, φθηνό).
Αρχικά, δοκιμές ενεργότητας διεξήχθησαν για να προσδιοριστεί το ποσοστό της δραστικότητας της λακκάσης μετά τη σύζευξη που κάναμε και στα δύο συστήματα. Απεδείχθη ότι στην ομοιοπολική δέσμευση μεταλλωμένης πορφυρίνης-αλδεΰδης πάνω στην επιφάνεια του ενζύμου, 80% της αρχικής ενεργότητας του ενζύμου διατηρήθηκε ενώ στην ομοιπολική δέσμευση της κυκλοδεξτρίνης_αλδεύδης έχουμε μόνο 40%. Τιτλοδοτήσεις φθορισμού έδειξαν το σχηματισμό συμπλόκου εγκλεισμού μεταξύ COOCH3_NH_Pyrene – β-κυκλοδεξτρίνης σε αναλογία 1:1. Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό, πειράματα κατανάλωσης οξυγόνου διεξήχθησαν για να ερευνήσουμε την ικανότητά των δυο αυτών συστημάτων στη φωτοεπαγόμενη αναγωγή μοριακού οξυγόνου. Το εμβολιασμένο σύστημα παρουσίασε την καλύτερη απόδοση, ενώ η αποτελεσματικότητα του υπερμοριακού συστήματος ήταν αμελητέα, πιθανότατα λόγω των ανίσχυρων και αδύναμων διαμοριακών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων που το αποτελούν.
(EL)
In recent years, scientific community’s attention has been drawn to the development and design of new synthetic systems which catalyze reactions using solar energy as a sole source of energy. These novel technologies are catalytically active for reactions like hydrogen oxidation, dioxygen reduction or water splitting to molecular Ο2 and Η2. Various studies have demonstrated that the combination of photosensitizers and enzyme can support reactions like O2 reduction or H2 oxidation.
Photosynthesis is a complex procedure taking place in plants where the sunlight is the source of energy triggering the decomposition of water into molecular Ο2 and Η2. The equation is shown below
2Η2Ο → 2Η2 + Ο2.
By mimicking the natural photosynthesis, solar energy can be used to drive catalysis and convert light to stored chemical energy. Our target is to develop robust, stable systems powered by sunlight associating an electron donor to a unit capable to react with dioxygen. Photosensitizers are excellent candidates as electron shuttle since they are capable of harvesting solar energy. On the other hand, metalloenzymes like laccase act as “oxygen catalytic units”.
In the present study, we report two hybrid photocatalytic systems designed to function in visible-light driven dioxygen reduction. The first system – the so called grafted system- contains a photosensitizer covalently bound on the surface of an enzyme (laccase). In the second system β-cyclodextrin is grafted on laccase and a suitable photosensitizer was used to interact deeply into the cavity of cyclodextrin, affording that way a supramolecular system.
Porphyrins (Zn-P and COOCH3_NH_Pyrene in particular) were selected as photosensitizers since they demonstrate high stability, high absorption in the visible spectrum and display long life time in their excited states. Laccases, on the other side, are robust oxidoreductases which catalyze the oxidation of various organic and inorganic substrates with the concomitant reduction of dioxygen into water as by-product (abundant, not dangerous, non toxic, inexpensive). At first, activity tests were performed to determine the percentage of activity laccase carries after the coupling we made in both systems. It was revealed that in covalent attachment of Zn-porphyrin_aldehyde on enzyme’s surface, 80% of the initial activity of the enzyme was kept whereas in covalent attachment of cyclodextrin_aldehyde we have only 40%. Fluorescence titrations showed a 1 : 1 COOCH3_NH_Pyrene – β-cyclodextrin inclusion complex. Last but not least, some dioxygen consumption experiments were conducted in order to investigate these two systems for their ability to function in visible light driven dioxygen reduction. Grafted system showed the best performance whereas the effectiveness of supramolecular system was almost absent, possibly due to the powerless and weak intermolecular forces developed among the components.
(EN)
