Alle levende organismen zijn afhankelijk van enzymen - moleculen die biochemische reacties versnellen die essentieel zijn voor het leven.

Wetenschappers hebben decennialang geprobeerd kunstmatige enzymen te maken die in staat zijn om belangrijke chemicaliën en brandstoffen op industriële schaal te produceren met prestaties die wedijveren met hun natuurlijke tegenhangers.

Onderzoekers van Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory hebben een synthetische katalysator ontwikkeld die chemicaliën produceert zoals enzymen dat doen in levende organismen. In een studie gepubliceerd in het 5 augustus nummer van Natuur Katalyse , de onderzoekers zeggen dat hun ontdekking zou kunnen leiden tot industriële katalysatoren die methanol kunnen produceren met minder energie en tegen lagere kosten. Methanol heeft een verscheidenheid aan toepassingen, en er is een groeiende vraag naar het gebruik ervan als brandstof met lagere emissies dan conventionele benzine.

"We haalden onze inspiratie uit de natuur, " zei senior auteur Matteo Cargnello, een assistent-professor chemische technologie aan Stanford. "We wilden de functie van natuurlijke enzymen in het laboratorium nabootsen met behulp van kunstmatige katalysatoren om bruikbare verbindingen te maken."

Voor het experiment, ontwierpen de onderzoekers een katalysator gemaakt van nanokristallen van palladium, een edel metaal, ingebed in lagen van poreuze polymeren op maat gemaakt met speciale katalytische eigenschappen. De meeste eiwitenzymen die in de natuur voorkomen, bevatten ook sporen van metalen, zoals zink en ijzer, ingebed in hun kern.

De onderzoekers konden sporenpalladium in hun katalysatoren waarnemen met elektronenmicroscopische beelden van co-auteur Andrew Herzing van het National Institute of Standards and Technology.

Modelreactie:

"We hebben ons gericht op een model chemische reactie:het omzetten van giftig koolmonoxide en zuurstof in kooldioxide (CO2), " zei promovendus Andrew Riscoe, hoofdauteur van de studie. "Ons doel was om te zien of de kunstmatige katalysator zou functioneren als een enzym door de reactie te versnellen en de manier waarop CO2 wordt geproduceerd te beheersen."

Er achter komen, Riscoe plaatste de katalysator in een reactorbuis met een continue stroom koolmonoxide en zuurstofgas. Toen de buis werd verwarmd tot ongeveer 150 graden Celsius (302 graden Fahrenheit), de katalysator begon het gewenste product te genereren, kooldioxide.

Hoogenergetische röntgenstralen van de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) bij SLAC onthulden dat de katalysator eigenschappen had die vergelijkbaar waren met die van enzymen:de palladium-nanokristallen in de katalysator reageerden continu met zuurstof en koolmonoxide om koolstofdioxide te produceren. En sommige van de nieuw gevormde koolstofdioxidemoleculen kwamen vast te zitten in de buitenste polymeerlagen toen ze uit de nanokristallen ontsnapten.

"De röntgenfoto's toonden aan dat zodra de polymeerlagen waren gevuld met CO2, de reactie stopte, " zei Cargnello, een filiaal van het Stanford Natural Gas Initiative (NGI). "Dit is belangrijk, omdat het dezelfde strategie is die door enzymen wordt gebruikt. Wanneer een enzym te veel van een product produceert, het stopt met werken, omdat het product niet meer nodig is. We toonden aan dat we de productie van CO2 ook kunnen reguleren door de chemische samenstelling van de polymeerlagen te beheersen. Deze aanpak kan van invloed zijn op veel gebieden van katalyse."

De röntgenbeeldvorming werd uitgevoerd door studieco-auteurs Alexey Boubnov, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford, en SLAC-wetenschappers Simon Bare en Adam Hoffman.

Methanol maken

Met het succes van het koolstofdioxide-experiment, Cargnello en zijn collega's hebben hun aandacht gericht op het omzetten van methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas, in methanol, een chemische stof die veel wordt gebruikt in textiel, kunststoffen en verf. Methanol is ook aangeprezen als een goedkopere, schoner alternatief voor benzine.

"Het vermogen om methaan bij lage temperaturen om te zetten in methanol wordt beschouwd als een heilige graal van katalyse, " zei Cargnello. "Ons doel op lange termijn is om een ​​katalysator te bouwen die zich gedraagt ​​als methaanmonooxoygenase, een natuurlijk enzym dat bepaalde microben gebruiken om methaan te metaboliseren."

De meeste methanol wordt tegenwoordig geproduceerd in een tweestapsproces waarbij aardgas wordt verwarmd tot temperaturen van ongeveer 1, 000 C (1, 800 F). Maar dit energie-intensieve proces stoot een grote hoeveelheid koolstofdioxide uit, een krachtig broeikasgas dat bijdraagt ​​aan de wereldwijde klimaatverandering.

"Een kunstmatige katalysator die methaan direct omzet in methanol, zou veel lagere temperaturen nodig hebben en veel minder CO2 uitstoten. " legde Riscoe uit. "Idealiter, we kunnen ook de producten van de reactie beheersen door polymeerlagen te ontwerpen die de methanol opvangen voordat deze verbrandt."

Toekomstige enzymen

"In dit werk, we hebben aangetoond dat we hybride materialen kunnen maken die zijn gemaakt van polymeren en metalen nanokristallen die bepaalde kenmerken hebben die typerend zijn voor enzymatische activiteit, " zei Cargnello, die ook verbonden is aan Stanford's SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis. "Het spannende is dat we deze materialen op veel systemen kunnen toepassen, ons helpt de details van het katalytische proces beter te begrijpen en ons een stap dichter bij kunstmatige enzymen te brengen."