Nhờ các nhà nghiên cứu ở Trường Cao đẳng Imperial Luân đôn, con người đã tiến một bước tiến gần tới việc sử dụng hydro có trong nguồn nước dồi dào của Trái đất làm nguồn năng lượng. Qua việc mô phỏng phương pháp thực vật sử dụng để tách nước, các nhà nghiên cứu cho biết có thể có được một phương pháp rất hiệu quả về năng lượng để hình thành nên nguồn cung cấp hydro giá rẻ trong tương lai.

Được công bố trên Tạp chí Science, các nhà nghiên cứu Imperial đã cho biết những chi tiết chính của phức hệ protein chi phối sự quang hợp-quá trình chuyển hoá CO2 trong không khí thành chất hữu cơ và oxy bằng cách sử dụng ánh nắng để tách nước (H2O). Sử dụng phương pháp tinh thể học tia X, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu mô tả được cơ chế thể hiện rõ phản ứng tách nước quan hợp. Bằng cách phân tích những khám phá này, các nhà nghiên cứu cho rằng có thể học tập cách tái tạo lại quá trình này ở một quy mô công nghiệp, từ đó có thể sản xuất hydro làm nguồn nhiên liệu.

Giáo sư Jim Barber ở Khoa Khoa học Sinh học của Trường Imperial giải thích, không có quá trình quang hợp, sự sống trên Trái đất sẽ không thể tồn tại như chúng ta đang thấy. Oxi tạo ra từ quá trình này là một phần không khí mà chúng ta thở và để duy trì tầng Ozon bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ tia tử ngoại. Giờ đây, hydro có trong nước sẽ là một nguồn năng lượng hứa hẹn nhất cho tương lai. Không giống như nhiên liệu khoáng, năng lượng hydro có hiệu quả cao, mức độ ô nhiễm thấp và dễ vận chuyển vì vậy có thể sử dụng nó cho những nhà máy phát điện ở những vùng hẻo lánh nơi rất khó có thể tiếp cận tới nguồn điện. Nhưng vấn đề là hydro không chỉ tồn tại đơn độc một mình nó trên Trái đất. Thay vì thế, nó kết hợp với những nguyên tố khác như Oxy để tạo ra nước hoặc với cácbon để hình thành nên metan, than và săng. Tuy nhiên, nước là chất ổn định và vì thế không thể sử dụng trực tiếp để làm nhiên liệu. Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cách sử dụng điện phân để tách nước thành oxy và hydro, nhưng ngày nay cách này làm tốn kém gấp 10 lần so với khí tự nhiên và đắt gấp 3 lần so với dầu lửa. Vậy mà, thiên nhiên đã tạo ra phương pháp tách nước bằng cách sử dụng ánh nắng theo một cách có hiệu quả có cách đây 2,5 triệu năm. Bằng cách khám phá cấu trúc của trung tâm tách nước chúng ta sẽ có thể làm sáng tỏ phương pháp áp dụng cách thức này một cách hiệu quả như cũng vậy.

Quang hợp diễn ra ở thực vật, một số vi khuẩn và tảo và bao gồm hai phức hệ protein là hệ quang hợp I (photosystem I-PS I) và hệ quang hợp II (photosystem II-PS II) (hệ này chứa trung tâm tách nước).

Mặc dù các mô hình về chức năng PS II trước đây đã thể hiện được cách tổ chức của trung tâm phân tách nước, nhưng nhóm nghiên cứu Imperial lại có thể thể hiện cơ cấu của trung tâm này ở độ phân giải 3,5 angstrom (hay một phần trăm triệu centimét) ở vi khuẩn cyano: Thermosynechococcus elongatus bằng cách kết hợp phương pháp giải thích các cấu trúc protein của Giáo sư So Iwata và phương pháp về quá trình quang hợp của Giáo sư Jim Barber.

Giáo sư So Iwata cho biết, kết quả của những nhóm nghiên cứu khác, gồm những kết quả có được bằng cách sử dụng phương pháp tinh thể học tia X độ phân giải thấp 3,7 angstrom đã cho thấy việc tách nước diễn ra ở một trung tâm xúc tác gồm 4 nguyên tử Mangan (Mn). Nhóm nghiên cứu Imperial đã tiến sâu hơn với việc chỉ ra rằng có 3 phân tử Mn, 1 phân tử Canxi và 4 phân tử Oxy hình thành nên một khối giống cấu trúc, cấu trúc này mang lại sự ổn định cho trung tâm tâm xúc tác. Phân tử Mn thứ tư và hoạt hoá nhất được gắn với một trong những phân tử oxy của khối này. Liên kết với nhau, sự sắp xếp này thể hiện rất rõ những dấu vết về cơ chế hoá học tách nước. Cấu trúc của nhóm còn thể hiện được vị trí của axit amino chủ đạo, các nhóm kiến tạo protein, đây là các axit thể hiện chi tiết các đồng yếu tố được nhận vào trung tâm phẩn ứng này như thế nào.

Giáo sư Barber bổ sung thêm, SP II thực sự là một "động cơ của sự sống" và đồng thời cũng là một thử thách lớn nhất đối với khoa học hiện đại để hiểu được nó hoạt động như thế nào. Sản xuất hydro từ nước sử dụng phương pháp quang hợp sẽ hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp điện phân và nếu chúng ta có thể học được cách sử dụng một lượng nhỏ của lượng nước trên toàn hành tinh này như thế nào thì chúng ta sẽ giải quyết được nhu cầu về nguồn năng lượng thân môi trường mới ngày càng tăng của thế giới.

N.P.A. (Theo Eukalert, 2/2004)