Rational design of the molecular interface for oriented immobilization of (photo)electroactive proteins in biosolar nanodevices

Paliwa kopalne są obecnie głównym źródłem energii na świecie. Wiadomo jednak, że zasoby te zostaną wyczerpane do końca tego stulecia. W tej sytuacji racjonalne zaprojektowanie i wdrażanie innowacyjnych technologii, które mogą sprostać głównym wyzwaniom społecznym, ekonomicznym i środowiskowym, takim jak globalnie rosnące zużycie energii jest niezbędne do znalezienia alternatywnych rozwiązań służących gospodarce. Ponadto równie ważna jest konieczność zmniejszenia śladu węglowego w środowisku naturalnym w celu złagodzenia zmian klimatycznych. Szacuje się, że energia światła słonecznego dostarczonego w ciągu jednej godziny jest równoważna rocznej energii produkowanej przez ludzką populację globalnie. Technologie oparte na bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego, w tym syntetyczne i biohybrydowe systemy przetwarzania światła słonecznego na elektryczność i paliwa/chemikalia, są powszechnie określane mianem sztucznej fotosyntezy, ponieważ naśladują naturalny proces fotosyntezy służący do przekształcania światła słonecznego w organiczne związki chemiczne stanowiące biomasę.Technologie te wspólnie oferują wysoce obiecujące i przyjazne dla środowiska podejście do produkcji i magazynowania zielonej energii. Opłacalność biohybrydowych urządzeń fotowoltaicznych i ogniw typu energia słonecza-paliwo zależy od wytworzenia wysoce wydajnych, stabilnych i opłacalnych systemów konwersji energii. Obecnie głównymi przeszkodami w praktycznym zastosowaniu biohybrydowych nanotechnologii konwersji słonecznej są: (i) niska wydajność fotoprądu spowodowana rekombinacją ładunków lub/i zwarciami elektrycznymi wewnątrz i pomiędzy abiotycznymi i biotycznymi komponentami urządzenia hybrydowego; (ii) brak długoterminowej stabilności urządzeń; (iii) wysoki koszt produkcji ze względu na obecność drogich/rzadkich materiałów w abiotycznych komponentach. Niniejsza praca doktorska ma na celu sprostanie wyzwaniom związanym z racjonalnym projektowaniem i budową urządzeń konwertujących energię słoneczną w biohybrydowych nanosystemach fotowoltaicznych poprzez kompleksowe wyjaśnienie molekularnych mechanizmów transferu energii i elektronów, jak również opracowanie rozwiązań poprawiających długoterminową stabilność generowania fotoprądów. W tym celu wygenerowano nową klasę nanourządzeń opartych na domieszkowanym fluorem tlenku cyny (FTO), pokrytym monowarstwą grafenu (SLG), wykorzystując jako interfejs molekularny pomiędzy modułami abiotycznym i biotycznym, samoorganizującą się monowarstwę (SAM) cząsteczek piren-kwas nitrylotrioctowy (pyr-NTA), z wbudowanymi w tę warstwę centrami redoks na bazie powszechnie występujących na Ziemi metali przejściowych, takich jak nikiel (Ni) lub kobalt (Co). Moduły biotyczne urządzeń stanowiły wytrzymałe bio-(foto)elektroaktywne białka, tj. fotosystem I (PSI) i/lub cytochrom c553 (cyt c553) wyizolowane z ekstremofilnego krasnorostu Cyanidioschyzon merolae. Optymalizacja przewodzącego interfejsu bio-organicznego została przeprowadzona w celu precyzyjnego dostrojenia przepływu elektronów wewnątrz i pomiędzy różnymi modułami systemu, co ostatecznie zaowocowało uzyskaniem wysokiej wydajności jednokierunkowego fotoprądu przy użyciu niedrogich materiałów opartych na pierwiastkach powszechnie występujących na Ziemi. Co więcej, wyniki tej pracy dowodzą, że zaprojektowanie de novo sekwencji aminokwasowej interesującego nas białka, tj. poprzez wprowadzenie specyficznych krótkich linkerów peptydowych pomiędzy domeną kotwiczącą His6, a aktywną redoks grupą prostetyczną cyt (hemem), nie tylko prowadzi do poprawy stabilności generowania fotoprądu, ale również zapewnia większą kontrolę nad parametrami kinetycznymi DET, co prowadzi do znaczącej poprawy wydajności konwersji energii słonecznej. Wreszcie, wyniki opisane w tej pracy potwierdzają udane zastosowanie wysoce stabilnego biofotokatalizatora PSI zorganizowanego w uporządkowaną nanoarchitekturę w celu znacznej poprawy wydajności konwersji energii i stabilności wytwarzania fotoprądu.

Currently, the majority of the world’s energy is produced from fossil fuels. However, it is well known that these resources will not last by the end of the century. In this contest, rational design and implementation of innovative technologies that can address the main societal, economic, and environmental challenges, such as globally increasing energy consumption, are essential to find alternative solutions to power the economies. Moreover, the necessity to reduce the carbon footprint in the environment to mitigate climate change is of equal importance. Indeed, it has been estimated that the energy captured in one hour of sunlight is equivalent to annual energy produced by the human population globally. The technologies based on direct solar conversion, including synthetic and biohybrid solar-to-electricity and solar-to-fuel/chemical systems, are commonly referred to as artificial photosynthesis, as they mimic the natural photosynthesis process for conversion of solar light into chemicals. Breaking down and fine tune the crucial stages of the artificial photosynthesis systems to convert the sunlight into storable energy molecules, such as fuels and other C-based chemicals, holds a great potential for developing green technologies which jointly offer a highly promising and environmentally friendly approaches for green energy production and storage. The viability of the biohybrid photovoltaic systems depends on generation of highly efficient, stable and cost-effective conversion systems. Currently, the major bottlenecks for practical application of biohybrid solar conversion nanotechnologies are: (i) low photocurrent output due to charge recombination and short-circuiting within and between the abiotic and biotic components of the hybrid devices; (ii) the lack of long-term stability of the devices; and (iii) high cost of manufacturing due to the presence of expensive/rare materials in the abiotic components. This PhD thesis aims to address the grant challenge of rational design and construction of well-performing biohybrid solar conversion nanosystems by providing a comprehensive elucidation of energy and electron transfer molecular mechanisms as well as solutions for improved long-term stability of photocurrent generation. To this end, a novel class of nanodevices was generated based on fluorine-doped tin oxide (FTO), covered with single layer graphene (SLG), using as a molecular interface between the abiotic and biotic modules, a pyrene-nitrilotriacetic acid (pyr-NTA) self-assembled monolayer (SAM), conjugated with earth-abundant metals such as nickel (Ni) or cobalt (Co). The biotic modules of the devices comprised the robust bio-(photo) electroactive proteins, i.e., photosystem I (PSI) and/or cytochrome c553 isolated from an extremophilic red microalga Cyanidioschyzon merolae. Optimisation of the conductive bio-organic interface was performed in order to fine-tune electron flow inside and between the different modules of the devices, ultimately resulting in the high-density unidirectional photocurrent output using cost-effective materials based on earth-abundant elements. The findings reported in this PhD thesis demonstrated that: (i) applying a rational design of the solar converting bionanoarchitecture is key to improving the electron transfer kinetics and directionality; (ii) incorporation of different metal redox centres into the organic interface plays a crucial role in both the kinetics and directionality of electron flow; (iii) designing de novo the AA sequence of the protein of interest not only leads to the improved stability of photocurrent generation but it also offers much higher control over direct electron transfer kinetic parameters leading to significantly improved solar conversion efficiency; (iv) the highly robust PSI biophotocatalyst organised within a highly ordered nanoarchitecture can be successfully applied for the significant improvement of photocurrent output and stability of its generation.