Enzyme mit Licht zur Herstellung von Ammoniak betreiben
Wissenschaftler untersuchen, wie molekulare Systeme aus Nanokristallen und Proteinen die Produktion von Ammoniak mit Hilfe von Licht unterstützen.
Die Erdatmosphäre enthält große Mengen an Stickstoff in Form von Distickstoffgas (N2). Die Umwandlung von N2 in Ammoniak (NH3) ist entscheidend für die Herstellung des in der Landwirtschaft benötigten Düngers. Derzeit werden für die Ammoniakproduktion 2 % der weltweiten Energie verbraucht und erhebliche Treibhausgase erzeugt. In der Natur kann das Enzym Nitrogenase die Ammoniakproduktion katalysieren, indem es die in Adenosintriphosphat (ATP) gespeicherte Energie nutzt, um die Reaktion anzutreiben. ATP ist ein natürliches Molekül, das in allen Formen des Lebens vorkommt. Es ist möglich, ATP durch die Energie des Sonnenlichts zu ersetzen, um einen energiearmen Prozess zu ermöglichen, der keine Treibhausgase erzeugt. Die Forscher sind jedoch noch dabei, diese auf Sonnenlicht basierenden Prozesse zu entwickeln. In dieser Forschungsarbeit haben die Wissenschaftler ein einzigartiges Biohybrid entwickelt, das Nanokristalle mit Nitrogenase verbindet. Die Nanokristalle nutzen das Sonnenlicht, um Ladung auf die Enzyme zu übertragen und die Reaktion abzuschließen. Die Forschung identifizierte die Eigenschaften der Nanokristalle für die Bindung an die Nitrogenase und verhalf den Wissenschaftlern zu neuen Erkenntnissen über diese komplexe NH3-Produktionsreaktion.
Nanokristalle (links) fangen Licht (hv) ein und übertragen dann Elektronen (e-) auf Nitrogenase-Enzyme (oben rechts), um Distickstoff (N2) in Ammoniak (NH3) umzuwandeln. Eine Opferreaktion (unten rechts) schließt den Prozess ab.
Image courtesy of Alfred Hicks, National Renewable Energy Laboratory.
Dieser biohybride Ansatz nutzt das Sonnenlicht, um die energieaufwendigen Umwandlungsreaktionen anzutreiben, die die Koproduktion von Treibhausgasen verringern können. Der Standardansatz zur Herstellung von Ammoniak ist das Haber-Bosch-Verfahren. Mit diesem Verfahren werden jährlich etwa 150 Millionen Tonnen Ammoniak produziert, aber es erfordert große Mengen an Energie und erzeugt außerdem etwa 280 Millionen Tonnen Kohlendioxid (CO2). Das neue Verfahren nutzt Sonnenlicht, um die NH3-Produktion zu katalysieren, ohneCO2 zu erzeugen. Es ist auch eine attraktive Möglichkeit, NH3-Dünger in der Nähe des Einsatzortes zu produzieren und so dieCO2-Emissionen durch den Transport zu den landwirtschaftlichen Betrieben zu minimieren. Um diesen Prozess zu verwirklichen, muss man verstehen, wie man das Sonnenlicht zum Antrieb der Reaktion koppelt.
Um Ammoniak mit Hilfe von Sonnenlicht zu produzieren, entwickelten die Forscher ein biohybrides System, das aus Nanokristallen und dem Enzym Mo-Nitrogenase besteht. Dieses Enzym besitzt einen einzigartigen Metallcluster, den so genannten FeMo-Kofaktor, der acht Elektronen und acht Protonen benötigt, um N2 zu Ammoniak zu reduzieren. Die Forscher nutzten dieses System aus Nanokristall und Enzym, um herauszufinden, wie die durch Licht erzeugten Elektronen zum FeMo-Kofaktor geleitet werden können, und um den entsprechenden Mechanismus zu untersuchen. Damit das System auf Licht angewiesen ist, müssen die Nanopartikel und das Enzym chemisch kompatibel sein und einen stabilen Reaktionskomplex bilden. In dieser Forschungsarbeit wurde untersucht, wie Nanopartikel hergestellt werden können, die an das Enzym binden.
Dieser Ansatz gibt Aufschluss darüber, wie man Nanokristalle synthetisch so abstimmen kann, dass sie Enzyme binden und Ladungen selektiv übertragen. Dank dieses Fortschritts können die Forscher den Prozess im Detail untersuchen. Im gefrorenen Zustand können die FeMo-Kofaktor-Reaktionszwischenprodukte eingefangen und mit Techniken der paramagnetischen Elektronenresonanzspektroskopie im Detail analysiert werden. Diese technische Grundlage ermöglicht es den Forschern, Reaktionszwischenprodukte zu identifizieren, die Aktivierungsenergien der Reaktionsschritte zu bestimmen und ein kinetisches Modell der N2-Reduktionsreaktion zu entwickeln.
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