Een team van onderzoekers onder leiding van PNNL-computerwetenschapper Simone Raugei heeft nieuwe inzichten onthuld over hoe dit complexe enzym zijn werk doet, vinden dat de schijnbaar verspillende vorming van waterstof een essentieel doel heeft. hun papier, "Kritische computationele analyse verlicht het reductieve-eliminatiemechanisme dat stikstofase voor N . activeert ₂ vermindering, " werd gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences in november 2018. Raugei's co-auteurs zijn Lance Seefeldt, die een gezamenlijke aanstelling heeft bij PNNL en Utah State University, en Brian Hoffman van de Northwestern University.

Nitrogenase kan stikstof omzetten in ammoniak bij kamertemperatuur en atmosferische druk. Industrie, anderzijds, vertrouwt op het Haber-Bosch-proces, een eeuwenoude techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van hoge temperatuur en druk. Fossiele brandstoffen leveren doorgaans de energie voor dit proces, daarom is de industriële ammoniakproductie alleen al verantwoordelijk voor meer dan 1% van de totale energiegerelateerde koolstofemissies in de wereld. Begrijpen wat stikstofase zijn bindingsbrekende spier geeft, kan leiden tot nieuwe, stimulerende ideeën voor het ontwerp van synthetische katalysatoren om ammoniak te maken.

Voor elk molecuul stikstof dat wordt omgezet in ammoniak, stikstofase maakt ten minste één molecuul waterstof (H ₂ ), dat is "een van de meest raadselachtige mysteries van stikstofase, " zei Raugei. "In plaats van alleen ammoniak te produceren, je produceert ook dit bijproduct. Waarom is dat nodig?"

De onderzoekers ontdekten dat dit fenomeen stikstofase daadwerkelijk helpt om de sterke bindingen van stikstof aan te pakken. "De natuur heeft een oplossing gevonden door de productie van waterstof te koppelen, die energie vrijmaakt, met het splitsen van stikstof, dat kost energie, " zei Raugei. "Het is totale balans."

Om tot de resultaten te komen, het team gebruikte een mix van theoretische en experimentele methoden. Raugei voerde kwantumchemische berekeningen uit op modellen van de kern van het enzym, vertrouwend op begeleiding van Seefeldt en Hoffman, die experts zijn op het gebied van de biochemie van stikstofase. Hun experimentele gegevens hielpen bij het informeren van de berekeningen, en vice versa.

De onderzoekers concentreerden zich op de katalytische kern van stikstofase, samengesteld uit ijzer, molybdeen en zwavel (FeMo-co). Tijdens de katalytische gebeurtenis, wanneer FeMo-co een kritisch aantal elektronen en protonen (H+) heeft verworven in de vorm van twee overbruggende hydriden (Fe-H-Fe) in zijn perifere gordel, generatie van een H ₂ gebonden aan FeMo-co en zijn verplaatsing door N ₂ zorgt voor het geven en nemen van energie om stikstofreductie te stimuleren, vonden de onderzoekers.

"We waren zeer goed gepositioneerd om tot deze doorbraak te komen, omdat we experimentele informatie over stikstofase combineerden met de computationele informatie, ' zei Raugei. 'Dat was de sleutel.'

De onderzoekers proberen het onderzoek uit te breiden door de fijne details van elektronen- en protonaccumulatie op de actieve plaats van stikstofase te onderzoeken en precies hoe de N ₂ binding wordt verbroken om ammoniak te vormen.