Circa 15 anni fa, Simone Raugei ha iniziato a simulare esperimenti di chimica a livello molecolare.

Oggi, come parte di un team di ricerca di prim'ordine aiutato dall'informatica avanzata, Raugei e i suoi colleghi sono pronti a decifrare un importante codice nascosto:l'intricato metodo della natura per rilasciare energia su richiesta.

"Vogliamo sapere come incanalare l'energia proprio al momento giusto, nel posto giusto, per eseguire la reazione chimica che vogliamo, proprio come fanno gli enzimi in natura, " disse Raugei, uno scienziato computazionale che guida la ricerca sulle bioscienze fisiche presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). "I progressi nell'informatica ci hanno aiutato a fare enormi progressi negli ultimi cinque o sei anni. Ora disponiamo di una massa critica di capacità e conoscenze".

La ricerca fa parte del focus del PNNL sulla reinvenzione delle conversioni chimiche, che sostiene gli obiettivi del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti Office of Science, Programma di Scienze Energetiche di Base (BES). Uno dei tanti obiettivi dei programmi è capire, a livello atomico, come i catalizzatori naturali producono reazioni specifiche, ancora ed ancora, in un batter d'occhio.

La capacità di imitare queste reazioni naturali potrebbe migliorare profondamente la progettazione di nuovi catalizzatori sintetici per produrre energia più pulita ed efficiente, processi industriali, e materiali.

Raugei ha descritto il programma BES Physical Biosciences come lo sforzo visionario che ha riunito singoli gruppi di ricerca e sperimentatori per collaborare su "grandi questioni nella biocatalisi", in particolare, come controllare materia ed energia.

Le domande non diventano molto più grandi di così.

Enzimi:i catalizzatori della natura

Al PNNL, Raugei collabora a stretto contatto con i colleghi scienziati computazionali Bojana Ginovska e Marcel Baer per esaminare il funzionamento interno degli enzimi. Trovato all'interno di ogni cellula vivente, questi minuscoli multi-tasking dirigono ogni sorta di reazione per diverse funzioni.

Attraverso cicli di feedback tra teoria, simulazioni al computer, e sperimentazione tra PNNL e collaboratori universitari, gli scienziati hanno compiuto progressi costanti nello scoprire le macchinazioni molecolari di diversi tipi di enzimi. Sono particolarmente interessati alla nitrogenasi, un enzima presente nei microrganismi del suolo, che ha una capacità unica di rompere il triplo legame dell'azoto, uno dei legami più forti in natura. Quella frattura molecolare, che si verifica nel nucleo attivo sepolto della nitrogenasi, produce ammoniaca.

Nel mondo della chimica commerciale, l'ammoniaca è usata per fare molti prodotti di valore, come fertilizzante. Ma produrre ammoniaca su scala industriale richiede molta energia. Gran parte di quell'energia viene spesa cercando di rompere i robusti tripli legami dell'azoto. Capire come la natura lo fa in modo così efficiente è la chiave per progettare nuovi catalizzatori sintetici che migliorino il processo di produzione dell'ammoniaca e di altri prodotti commerciali.

Nitrogenasi:decifrare il codice

Circa due anni fa, il team di scienziati del PNNL e dell'università ha isolato la sfuggente struttura molecolare all'interno della nitrogenasi, chiamata intermedia di Janus, che rappresenta il "punto di non ritorno" nella produzione di ammoniaca. I ricercatori hanno scoperto che due idrogeni carichi negativamente, chiamati idruri, formare ponti con due ioni di ferro. Questi ponti consentono a quattro elettroni in più di parcheggiare all'interno del nucleo di atomi.

L'ultima ricerca del team ha confermato il rimescolamento degli elettroni all'interno dell'ambiente proteico, accumulando energia sufficiente per rompere i legami azotati e formare ammoniaca. Sono state utilizzate potenti tecniche di spettroscopia per sondare le interazioni magnetiche tra gli elettroni nel nucleo metallico dell'enzima. Tali interazioni sono state poi correlate con simulazioni quantistiche della trasformazione dell'enzima per produrre la struttura molecolare dell'intermedio Janus.

"L'energia della consegna degli elettroni è sorprendente, " disse Raugei. "Quando pensi di aggiungere elettroni in un minuscolo ammasso di atomi, un elettrone è difficile, due è più difficile, tre è davvero difficile, e aggiungere il quarto è generalmente considerato impossibile. Ma abbiamo scoperto che è così che succede".

Lance Seefeldt, un professore alla Utah State University che ha un incarico congiunto al PNNL, guida il lavoro sperimentale per la ricerca sulla nitrogenasi del team. Un altro collaboratore fondamentale, e la "mente dietro le misurazioni spettroscopiche" secondo Raugei, è Brian Hoffman della Northwestern University. Le scoperte più recenti del team sulla nitrogenasi sono state pubblicate nel Giornale della Società Chimica Americana a dicembre 2020.

Collaborazioni di chimica quantistica

Ginovska aiuta a dirigere le attività quotidiane dei ricercatori post-dottorato del gruppo che lavorano al progetto. Attribuisce a Raugei la creazione e il mantenimento di connessioni tra la comunità scientifica per stimolare il progresso nella ricerca sugli enzimi.

"Come hub teorico, collaboriamo con università e altri laboratori nazionali per gli aspetti sperimentali della ricerca, " ha detto Ginovska. "Abbiamo iniziato con la nitrogenasi e da lì è cresciuta. Ora stiamo lavorando su diversi sistemi enzimatici. Tutto questo lavoro sta alimentando la stessa base di conoscenza".

Karl Mueller, chief science and technology officer per la direzione delle scienze fisiche e computazionali del PNNL, detta nitrogenasi è un ottimo esempio dei problemi impegnativi che possono essere affrontati in un laboratorio nazionale attraverso la collaborazione tra scienziati sperimentali e computazionali, compresi i ricercatori universitari. Mentre gli scienziati si preparano a trasferirsi nel nuovo Centro di scienze energetiche del PNNL nell'autunno del 2021, Raugei è fiducioso che le capacità avanzate e l'ambiente collaborativo aiuteranno il team a decifrare presto il codice rimanente di come la nitrogenasi forma l'ammoniaca.

"Sappiamo che ha a che fare con l'aggiunta di atomi di idrogeno, ma come? Ci sono una moltitudine di possibili percorsi ed è quello che stiamo esaminando ora, " ha affermato Raugei. "Questa è sicuramente un'applicazione in cui le scoperte nel campo dell'informatica quantistica accelereranno la nostra ricerca ed eleveranno la nostra comprensione dei sistemi complessi".

Mentre il ritmo del progresso scientifico accelera, nitrogenasi è solo un esempio di come la promessa della chimica quantistica, informatica quantistica, e l'Energy Sciences Center del PNNL potrebbe aiutare a rispondere alla prossima grande domanda sulla catalisi.