Enzimas con luz para producir amoníaco
Los científicos examinan cómo los sistemas moleculares formados por nanocristales y proteínas favorecen la producción de amoníaco mediante la luz.
La atmósfera terrestre contiene grandes cantidades de nitrógeno en forma de gas dinitrógeno (N2). Convertir el N2 en amoníaco (NH3) es fundamental para fabricar el fertilizante necesario para la agricultura. Actualmente, la producción de amoníaco requiere el 2% de la energía mundial y genera importantes gases de efecto invernadero. En la naturaleza, la enzima nitrogenasa puede catalizar la producción de amoníaco utilizando la energía almacenada en el trifosfato de adenosina (ATP) para impulsar la reacción. El ATP es una molécula natural que se encuentra en todas las formas de vida. Es posible sustituir el ATP por la energía de la luz solar para conseguir un proceso de bajo consumo energético que no produzca gases de efecto invernadero. Sin embargo, los investigadores aún están desarrollando estos procesos basados en la luz solar. En esta investigación, los científicos crearon un biohíbrido único que acopla nanocristales a la nitrogenasa. Los nanocristales utilizan la luz solar para transferir carga a las enzimas y completar la reacción. La investigación identificó las propiedades de los nanocristales para unirse a la nitrogenasa, lo que ayudó a los científicos a obtener nuevos conocimientos sobre esta compleja reacción de producción de NH3.
Los nanocristales (izquierda) captan la luz (hv) y luego transfieren electrones (e-) a las enzimas nitrogenasa (arriba a la derecha) para convertir el dinitrógeno (N2) en amoníaco (NH3). Una reacción de sacrificio (abajo a la derecha) completa el proceso.
Image courtesy of Alfred Hicks, National Renewable Energy Laboratory.
Este enfoque biohíbrido utiliza la luz solar para impulsar las reacciones de conversión, que exigen mucha energía y pueden mitigar la coproducción de gases de efecto invernadero. El método estándar para producir amoníaco es el proceso Haber-Bosch. Este proceso produce unos 150 millones de toneladas métricas (MmT) de amoníaco al año, pero requiere grandes cantidades de energía y también produce unos 280 MmT de dióxido de carbono (CO2). El nuevo proceso utiliza la luz solar para catalizar la producción de NH3 sin generarCO2. También es una forma atractiva de producir fertilizantes de NH3 cerca de donde se utilizarán, minimizando las emisiones deCO2 del transporte a las granjas. Para hacer realidad este proceso hay que saber cómo acoplar la luz solar para impulsar la reacción.
Para producir amoníaco con luz solar, los investigadores desarrollaron un sistema biohíbrido compuesto por nanocristales y la enzima Mo-nitrogenasa. Esta enzima posee un clúster metálico único, denominado cofactor FeMo, que requiere ocho electrones y ocho protones para reducir el N2 a amoníaco. Los investigadores utilizaron este sistema nanocristal/enzima para determinar cómo dirigir los electrones fotogenerados al FeMo-cofactor y estudiar el mecanismo relacionado. Para que el sistema dependa de la luz, la nanopartícula y la enzima deben ser químicamente compatibles y formar un complejo de reacción estable. Esta investigación exploró cómo fabricar nanopartículas que se unan a la enzima.
Este enfoque permite entender cómo ajustar sintéticamente los nanocristales para que se unan a las enzimas y transfieran la carga de forma selectiva. Aprovechando este avance, los investigadores pueden estudiar el proceso en detalle. En estado congelado, los intermediarios de la reacción FeMo-cofactor pueden ser atrapados y analizados en detalle mediante técnicas de espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica. Esta base técnica permite a los investigadores identificar los intermediarios de la reacción, las energías de activación de los pasos de la reacción y la evolución de un modelo cinético de la reacción de reducción del N2.
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