Vilniaus universiteto Biochemijos instituto mokslininkų darbas „Oxygen Electroreduction Catalysed by Laccase Wired to Gold Nanoparticles via the Trinuclear Copper Cluster“ buvo paskelbtas prestižiniame multidisciplininiame žurnale „Energy & Environmental Science“. Darbo autoriai M. Dagys, A. Laurynėnas, D. Ratautas, J. Kulys, R. Vidžiūnaitė, M. Talaikis, G. Niaura, L. Marcinkevičienė, R. Meškys, S. Shleevas sukūrė pažangų deguonį redukuojančio fermento pagrindu veikiantį biokatodą ir įrodė jo veikimo mechanizmą.

Fundamentiniu požiūriu šis tyrimas pademonstravo naują efektyvų tiesioginės elektronų pernašos tarp lakazės ir aukso nanodalelės mechanizmą, kurį pasaulinio lygio bioelektrochemikai norėjo surasti nuo maždaug 1978 m., o praktiniu požiūriu rezultatai atveria kelius naujos kartos didelės galios biokuro ir biosaulės elementams kurti, kad būtų gaunama energija iš organinių junginių bei šviesos konversijos.

Įprastas (kairėje) ir naujai atrastas (dešinėje) tiesioginės elektronų pernašos deguonies elektroredukcijos mechanizmas lakazės ir aukso nanodalelės sistemoje

Šiame darbe mokslininkai sprendė problemą, susijusią su energijos gavimu naudojant biokuro ir biosaulės elementus. Tokie elementai yra sudaryti iš bioanodo ir biokatodo – bioanodas katalizuoja organinių junginių oksidaciją, o prie biokatodo dažniausiai vyksta deguonies redukcija. Elektrodus sujungus į grandinę ir įmerkus į biologinę terpę, generuojama elektros srovė. Šiuo metu silpnoji biokuro elementų grandis yra būtent biokatodai, nes deguonies redukcija iki vandens paprastai nėra efektyvi ir dėl to elementai patiria energinių nuostolių. Mokslininkai sukūrė pažangų deguonį redukuojančio fermento pagrindu veikiantį biokatodą ir įrodė jo veikimo mechanizmą.

Pats tyrimas yra multidisciplininis. Jame dalyvavo net trys Biochemijos instituto padaliniai. Pirmiausia dr. Rolando Meškio vadovaujamame Molekulinės mikrobiologijos ir biotechnologijos skyriuje buvo rasta, išgryninta ir charakterizuota nauja, unikaliomis savybėmis pasižyminti lakazė. „Lakazės yra fermentai, katalizuojantys deguonies redukciją iki vandens. Taip pat jie taikomi ir kitose srityse – gali būti naudojami cheminei sintezei, medienos apdirbimui, dėmių pašalinimui ar įvairių dažų oksidacijai“, – teigia dr. R. Meškys. Papildomi fermento tyrimai buvo vykdomi Malmės universitete, Švedijoje, o tolesnius darbus atliko Bioanalizės skyriaus doktorantai ir mokslininkai. Neužtenka turėti gerą fermentą – jis turi būti tinkamai imobilizuotas ant elektrodo paviršiaus. „Lakazę imobilizavome ant aukso nanodalelių nauju metodu, kadangi jau anksčiau esame pastebėję, kad fermentai gali efektyviai keistis elektronais su tokiu nanostruktūrizuotu paviršiumi“, – teigia dr. Marius Dagys. Vis dėlto pats fermento imobilizavimas, siekiant išlaikyti maksimalų jo aktyvumą, yra sudėtingas procesas. „Norėdami užtikrinti efektyvią elektronų pernašą tarp nanostruktūros ir fermento, turėjome sugalvoti naujus ir niekur nebandytus imobilizavimo metodus ir juos patikrinti praktikoje“, – pasakoja doktorantas Dalius Ratautas. Sėkmingai imobilizavus fermentą, visas katalizinis procesas buvo aprašytas pritaikant matematinius modelius. Kaip teigia su matematiniais modeliais dirbantis biochemikas Audrius Laurynėnas, „matematinis proceso modeliavimas padeda nustatyti biokatodo parametrus, įvertinti jo veikimo efektyvumą ir prognozuoti proceso greitį“. Tada Bioelektrochemijos ir biospektroskopijos skyriuje buvo atlikta spektrinė lazerinėmis technologijomis pagrįsta biokatodo paviršiaus analizė. „Analizuodami virpesinius spektrus įvertinome, kuriomis cheminėmis grupėmis fermentas yra pasisukęs į nanostruktūros paviršių, stebėjome fermento struktūros kitimus priklausomai nuo elektrodo elektrocheminio potencialo“, – teigė skyriaus darbuotojas habil. dr. Gediminas Niaura. „Galiausiai visų mokslininkų gauti rezultatai, įrodantys iškeltą elektronų pernašos mechanizmo hipotezę, buvo sujungti į vieną didelės apimties tyrimą, kurį pavyko paskelbti tokiame gerame žurnale. Redaktoriai mums pasiūlė parengti ir žurnalo viršelį, o tai dar labiau padidins mūsų komandos tarptautinį prestižą“, – pasakodamas apie tokio darbo gimimo procesą džiaugėsi dr. M. Dagys.

Žurnalo „Energy & Environmental Science“ cituojamumo rodiklis 2015 m. yra 25,4, o žurnalas užima pirmąsias vietas net trijose mokslų kategorijose.

Nuoroda į straipsnį.

Pastaba: nuo lapkričio 14 d. Biochemijos institutas tapo Gyvybės mokslų centro padaliniu.