I ricercatori della Ruhr-Universität Bochum (RUB) hanno sviluppato nuove tecniche per accoppiare in modo efficiente gli enzimi batterici agli elettrodi. Insieme a un team dell'Università dello Utah, realizzarono un sistema per la sintesi dell'ammoniaca basato su un enzima nitrogenasi. Hanno anche progettato una cella a biocarburante idrogeno/ossigeno basata su un enzima idrogenasi insieme a un team dell'Istituto Max Planck per la conversione dell'energia chimica. Entrambi gli articoli sono stati pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie a maggio e giugno 2020.

Enzimi potenti richiedono condizioni speciali

Molti enzimi presenti in natura sono potenti catalizzatori, come le cosiddette [FeFe]-idrogenasi. Le idrogenasi sono utilizzate dai batteri per produrre idrogeno, mentre le nitrogenasi riescono ad attivare il legame più forte in natura nell'azoto (N2). Entrambi gli enzimi sono altamente sensibili all'ossigeno, ma usano metalli non preziosi prontamente disponibili nei loro centri attivi. Così potrebbero un giorno sostituire i costosi catalizzatori di metalli preziosi. "Utilizzare catalizzatori così altamente sensibili per le celle a biocombustibile è ancora una delle maggiori sfide nella conversione dell'energia sostenibile, "dice il professor Wolfgang Schuhmann, capo del Centro RUB per l'elettrochimica e membro del cluster di eccellenza "Ruhr Explores Solvation, "Risolv.

Cella a biocombustibile realizzata con enzima

In collaborazione con il team del professor Wolfgang Lubitz dell'Istituto Max Planck per la conversione dell'energia chimica a Mülheim an der Ruhr, il gruppo di Bochum ha mostrato in quali circostanze ciò è tuttavia possibile. Hanno usato una cosiddetta idrogenasi [FeFe] dal batterio Desulfovibrio desulfuricans. Sebbene questo sia un catalizzatore molto efficiente, deve essere protetto nella cella a combustibile dall'ossigeno necessario per il funzionamento al secondo elettrodo.

In questo lavoro, gli scienziati hanno integrato per la prima volta la [FeFe]-idrogenasi in una cella a biocombustibile azionata con i cosiddetti elettrodi a diffusione di gas. In questa cella, l'idrogeno e l'ossigeno vengono trasportati agli enzimi attraverso una membrana. Il team ha incorporato l'enzima in una matrice costituita da un cosiddetto polimero redox, che fissa l'enzima alla superficie dell'elettrodo permeabile al gas, protegge l'enzima dagli effetti nocivi dell'ossigeno e stabilisce anche il contatto elettrico tra l'enzima e l'elettrodo. Con questo disegno, la cella a combustibile ha raggiunto densità di corrente elevate precedentemente non raggiunte di 14 milliampere per centimetro quadrato e densità di potenza elevate di 5,4 milliwatt per centimetro quadrato.

Processo biobased per la produzione di ammoniaca

Nel secondo progetto, il team di ricerca di RUB, insieme al gruppo statunitense guidato dalla professoressa Shelley Minterer dell'Università di Salt-Lake City, cercato un'alternativa bioelettrosintetica per la sintesi dell'ammoniaca. Nell'industria chimica, l'ammoniaca è comunemente prodotta con il processo Haber-Bosch ad alta temperatura e alta pressione e con un notevole rilascio di CO ₂ .

Alcuni batteri possiedono enzimi, chiamate nitrogenasi, con cui fissano l'azoto molecolare (N2) e possono metabolizzarlo a temperatura ambiente e senza aumento di pressione. Però, negli organismi viventi questo consuma molta energia sotto forma di molecole di accumulo di energia ATP.

Il team di ricerca ha dimostrato che è possibile accoppiare la nitrogenasi del batterio Azotobacter vinelandii con un elettrodo attraverso il quale possono essere forniti gli elettroni necessari per la reazione, in modo che non sia richiesto ATP. Di nuovo, la chiave del successo è stato un polimero redox che ha contribuito a stabilire un contatto elettrico stabile ed efficiente tra l'elettrodo e il composito polimero azotato/redox. "Per quello che ci risulta, la fissazione e il contatto delle nitrogenasi nei polimeri redox è il primo passo per rendere applicabili le nitrogenasi per la bioelettrosintesi, " scrivono gli autori dello studio.