Tutti gli organismi viventi dipendono dagli enzimi, molecole che accelerano le reazioni biochimiche essenziali per la vita.

Gli scienziati hanno passato decenni a cercare di creare enzimi artificiali in grado di produrre sostanze chimiche e combustibili importanti su scala industriale con prestazioni che rivaleggiano con le loro controparti naturali.

I ricercatori della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory hanno sviluppato un catalizzatore sintetico che produce sostanze chimiche proprio come fanno gli enzimi negli organismi viventi. In uno studio pubblicato nel numero del 5 agosto di Catalisi della natura , i ricercatori affermano che la loro scoperta potrebbe portare a catalizzatori industriali in grado di produrre metanolo utilizzando meno energia ea un costo inferiore. Il metanolo ha una varietà di applicazioni, e c'è una crescente domanda per il suo utilizzo come carburante con emissioni inferiori rispetto alla benzina convenzionale.

"Ci siamo ispirati alla natura, " ha detto l'autore senior Matteo Cargnello, un assistente professore di ingegneria chimica a Stanford. "Volevamo imitare la funzione degli enzimi naturali in laboratorio utilizzando catalizzatori artificiali per creare composti utili".

Per l'esperimento, i ricercatori hanno progettato un catalizzatore fatto di nanocristalli di palladio, un metallo prezioso, incorporati in strati di polimeri porosi su misura con speciali proprietà catalitiche. La maggior parte degli enzimi proteici presenti in natura contiene anche metalli in tracce, come zinco e ferro, incorporati nel loro nucleo.

I ricercatori sono stati in grado di osservare tracce di palladio nei loro catalizzatori con immagini al microscopio elettronico del coautore Andrew Herzing del National Institute of Standards and Technology.

Reazione del modello

"Ci siamo concentrati su una reazione chimica modello:convertire il monossido di carbonio e l'ossigeno tossici in anidride carbonica (CO2), " ha detto il dottorando Andrew Riscoe, autore principale dello studio. "Il nostro obiettivo era vedere se il catalizzatore artificiale avrebbe funzionato come un enzima accelerando la reazione e controllando il modo in cui viene prodotta la CO2.

Per scoprirlo, Riscoe ha posizionato il catalizzatore in un tubo del reattore con un flusso continuo di monossido di carbonio e ossigeno. Quando il tubo è stato riscaldato a circa 150 gradi Celsius (302 gradi Fahrenheit), il catalizzatore ha iniziato a generare il prodotto desiderato, diossido di carbonio.

I raggi X ad alta energia della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) allo SLAC hanno rivelato che il catalizzatore aveva tratti simili a quelli osservati negli enzimi:i nanocristalli di palladio all'interno del catalizzatore reagivano continuamente con ossigeno e monossido di carbonio per produrre anidride carbonica. E alcune delle molecole di anidride carbonica appena formate sono rimaste intrappolate negli strati polimerici esterni mentre scappavano dai nanocristalli.

"I raggi X hanno mostrato che una volta che gli strati polimerici sono stati riempiti con CO2, la reazione si è fermata, " disse Cargnello, un affiliato con la Stanford Natural Gas Initiative (NGI). "Questo è importante, perché è la stessa strategia usata dagli enzimi. Quando un enzima produce una quantità eccessiva di un prodotto, smette di funzionare, perché il prodotto non è più necessario. Abbiamo dimostrato che possiamo anche regolare la produzione di CO2 controllando la composizione chimica degli strati polimerici. Questo approccio potrebbe avere un impatto su molte aree di catalisi".

L'imaging a raggi X è stato condotto dai coautori dello studio Alexey Boubnov, uno studioso post-dottorato di Stanford, e gli scienziati dello SLAC Simon Bare e Adam Hoffman.

Fare metanolo

Con il successo dell'esperimento sull'anidride carbonica, Cargnello e i suoi colleghi hanno rivolto la loro attenzione alla trasformazione del metano, l'ingrediente principale del gas naturale, in metanolo, una sostanza chimica ampiamente utilizzata nei tessuti, plastiche e vernici. Il metanolo è stato anche pubblicizzato come un prodotto più economico, alternativa più pulita alla benzina.

"La capacità di convertire il metano in metanolo a basse temperature è considerata il Santo Graal della catalisi, "Il nostro obiettivo a lungo termine è quello di costruire un catalizzatore che si comporti come la metano monoossigenasi," ha detto Cargnello. un enzima naturale che alcuni microbi usano per metabolizzare il metano."

La maggior parte del metanolo oggi viene prodotta in un processo in due fasi che prevede il riscaldamento del gas naturale a temperature di circa 1, 000 C (1, 800 F). Ma questo processo ad alta intensità energetica emette una grande quantità di anidride carbonica, un potente gas serra che contribuisce al cambiamento climatico globale.

"Un catalizzatore artificiale che converta direttamente il metano in metanolo richiederebbe temperature molto più basse ed emetterebbe molta meno CO2, " Riscoe ha spiegato. "Idealmente, potremmo anche controllare i prodotti della reazione progettando strati polimerici che intrappolano il metanolo prima che bruci".

Enzimi del futuro

"In questo lavoro, abbiamo dimostrato di poter preparare materiali ibridi costituiti da polimeri e nanocristalli metallici che hanno determinati tratti tipici dell'attività enzimatica, " disse Cargnello, che è anche affiliato al SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis di Stanford. "La parte eccitante è che possiamo applicare questi materiali a molti sistemi, aiutandoci a comprendere meglio i dettagli del processo catalitico e portandoci un passo più vicino agli enzimi artificiali".