Ispirato da un processo naturale presente in alcuni batteri, un team di ricercatori del Caltech si sta avvicinando a un nuovo metodo per produrre fertilizzanti che un giorno potrebbe portare benefici agli agricoltori, in particolare nei paesi in via di sviluppo, e allo stesso tempo far luce su un mistero biologico.

I fertilizzanti sono fonti chimiche di nutrienti che altrimenti sarebbero carenti nel suolo. Più comunemente, i fertilizzanti forniscono l'elemento azoto, che è essenziale per tutti gli esseri viventi, poiché è un elemento costitutivo fondamentale del DNA, RNA, e proteine. Il gas azoto è molto abbondante sulla Terra, che costituiscono il 78% della nostra atmosfera. Però, la maggior parte degli organismi non può utilizzare l'azoto nella sua forma gassosa.

Per rendere utilizzabile l'azoto, deve essere "fissato", trasformato in una forma che può entrare nella catena alimentare come nutriente. Ci sono due modi principali che possono accadere, uno naturale e uno sintetico.

La fissazione dell'azoto avviene naturalmente grazie all'azione dei microbi che vivono nei noduli sulle radici delle piante. Questi organismi convertono l'azoto in ammoniaca attraverso enzimi specializzati chiamati nitrogenasi. L'ammoniaca creata da questi organismi azotofissatori fertilizza le piante che possono poi essere consumate dagli animali, compresi gli umani. In un articolo del 2008 apparso sulla rivista Geoscienze naturali , un team di ricercatori ha stimato che l'azoto fissato naturalmente fornisce cibo a circa la metà delle persone che vivono sul pianeta.

L'altra metà dell'approvvigionamento alimentare mondiale è sostenuta dalla fissazione artificiale dell'azoto e il metodo principale per farlo è il processo Haber-Bosch, una reazione su scala industriale sviluppata in Germania oltre 100 anni fa. Nel processo, i gas idrogeno e azoto sono combinati in grandi recipienti di reazione, sotto pressione e calore intensi in presenza di un catalizzatore di ferro allo stato solido, per formare ammoniaca.

"I gas sono pressurizzati fino a molte centinaia di atmosfere e riscaldati fino a diverse centinaia di gradi Celsius, "dice Ben Matson del Caltech, uno studente laureato nel laboratorio di Jonas C. Peters, Bren Professore di Chimica e direttore del Resnick Sustainability Institute. " Con il catalizzatore di ferro utilizzato nel processo industriale, queste condizioni estreme sono necessarie per produrre ammoniaca a velocità adeguate".

In un recente articolo apparso su Scienze Centrali ACS , Matson, Pietro, e i loro colleghi descrivono un nuovo modo di fissare l'azoto che si ispira al modo in cui lo fanno i microbi.

Le nitrogenasi sono costituite da sette atomi di ferro circondati da uno scheletro proteico. La struttura di uno di questi enzimi nitrogenasi è stata risolta per la prima volta da Douglas Rees di Caltech, il professore di chimica Roscoe Gilkey Dickinson. I ricercatori del laboratorio di Peters hanno sviluppato qualcosa di simile a una nitrogenasi batterica, anche se molto più semplice:un'impalcatura molecolare che circonda un singolo atomo di ferro.

Lo scaffold molecolare è stato sviluppato per la prima volta nel 2013 e, sebbene il progetto iniziale mostrasse risultati promettenti nel fissare l'azoto, era instabile e inefficiente. I ricercatori hanno migliorato la sua efficienza e stabilità modificando il bagno chimico in cui avviene la reazione di fissazione, e raffreddandolo a circa la temperatura del ghiaccio secco (-78 gradi Celsius). In queste condizioni, la reazione converte il 72% del materiale di partenza in ammoniaca, un grande miglioramento rispetto al metodo iniziale, che ha convertito solo il 40 percento del materiale di partenza in ammoniaca e ha richiesto più energia per farlo.

Matson, Pietro, e colleghi affermano che il loro lavoro ha il potenziale per due importanti vantaggi:

Facilità di produzione:

Poiché la tecnologia in fase di sviluppo non richiede temperature o pressioni elevate, non è necessaria l'infrastruttura industriale su larga scala necessaria per il processo Haber-Bosch. Ciò significa che un giorno potrebbe essere possibile fissare l'azoto in strutture più piccole situate più vicino a dove vengono coltivate le colture.

"Il nostro lavoro potrebbe aiutare a ispirare nuove tecnologie per la produzione di fertilizzanti, "dice Trevor del Castillo, uno studente laureato al Caltech e coautore del documento. "Anche se è improbabile che questo tipo di tecnologia sostituisca il processo Haber-Bosch nel prossimo futuro, potrebbe avere un grande impatto in luoghi che non hanno una rete energetica molto stabile, ma hanno accesso a abbondanti energie rinnovabili, come il mondo in via di sviluppo. C'è sicuramente spazio per lo sviluppo di nuove tecnologie qui, una sorta di solare 'on demand', idroelettrico-, o processo eolico."

Comprensione della fissazione naturale dell'azoto:

L'enzima nitrogenasi è complicato e schizzinoso, non funziona se le condizioni ambientali non sono corrette, che rende difficile lo studio. Il nuovo catalizzatore, d'altra parte, è relativamente semplice. Il team ritiene che il loro catalizzatore esegua la fissazione in modo concettualmente simile a quello dell'enzima, e che la sua relativa semplicità consentirà di studiare le reazioni di fissazione in laboratorio utilizzando moderne tecniche spettroscopiche.

"Una cosa affascinante è che davvero non lo sappiamo, a livello molecolare, come l'enzima nitrogenasi in questi batteri trasforma effettivamente l'azoto in ammoniaca. È una grande domanda senza risposta, "dice lo studente laureato Matthew Chalkley, anche un coautore sulla carta.

Peters afferma che la loro ricerca su questo catalizzatore ha già fornito loro una comprensione più profonda di ciò che sta accadendo durante una reazione di fissazione dell'azoto.

"Un vantaggio del nostro sistema di ferro nitrogenasi sintetico è che possiamo studiarlo in modo molto dettagliato, "dice. "In effetti, oltre a migliorare significativamente l'efficienza di questo nuovo catalizzatore per la fissazione dell'azoto, abbiamo fatto grandi progressi nella comprensione, a livello atomico, le fasi critiche di rottura del legame e di creazione che portano alla sintesi dell'ammoniaca dall'azoto."

Se processi di questo tipo possono essere ulteriormente affinati e la loro efficienza aumentata, Peters aggiunge, possono avere applicazioni anche al di fuori della produzione di fertilizzanti.

"Se questo può essere raggiunto, la sintesi distribuita dell'ammoniaca a energia solare può diventare una realtà. E non solo come fonte di fertilizzante, ma anche in alternativa, sostenibile, e combustibile chimico immagazzinabile, " lui dice.