Ongeveer 15 jaar geleden, Simone Raugei begon scheikundige experimenten op moleculair niveau te simuleren.

Vandaag, als onderdeel van een eersteklas onderzoeksteam, geholpen door geavanceerde computers, Raugei en zijn collega's staan ​​klaar om een ​​belangrijke verborgen code te kraken:de ingewikkelde methode van de natuur om op verzoek energie vrij te geven.

"We willen weten hoe we energie precies op het juiste moment kunnen sturen, op de goede plek, om de chemische reactie uit te voeren die we willen - net zoals enzymen in de natuur, " zei Raugei, een computationele wetenschapper die het fysisch biowetenschappelijk onderzoek leidt bij Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). "Vooruitgang in de informatica heeft ons geholpen enorme vooruitgang te boeken in de afgelopen vijf of zes jaar. We hebben nu een kritische massa aan capaciteiten en kennis."

Het onderzoek maakt deel uit van de focus van PNNL op het opnieuw uitvinden van chemische conversies, die de doelstellingen van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science ondersteunt, Basisopleiding Energiewetenschappen (BES). Een van de vele doelen van de programma's is om te begrijpen, op atomair niveau, hoe natuurlijke katalysatoren specifieke reacties veroorzaken, opnieuw en opnieuw, in een oogwenk.

Het vermogen om deze natuurlijke reacties na te bootsen zou het ontwerp van nieuwe synthetische katalysatoren voor het produceren van schonere en efficiëntere energie aanzienlijk kunnen verbeteren. industriële processen, en materialen.

Raugei beschreef het BES Physical Biosciences-programma als de visionaire inspanning die individuele onderzoeksgroepen en experimentatoren samenbracht om samen te werken aan "grote vragen in biokatalyse" - in het bijzonder, hoe materie en energie te beheersen.

Veel groter worden de vragen niet.

Enzymen:de katalysatoren van de natuur

Bij PNNL, Raugei werkt nauw samen met collega-computerwetenschappers Bojana Ginovska en Marcel Baer om de innerlijke werking van enzymen te onderzoeken. Gevonden in elke levende cel, deze minuscule multitaskers sturen allerlei reacties voor verschillende functies aan.

Door feedbackloops tussen theorie, computersimulaties, en experimenten onder PNNL en universitaire medewerkers, de wetenschappers hebben gestage vooruitgang geboekt bij het blootleggen van de moleculaire machinaties van verschillende soorten enzymen. Ze zijn vooral geïnteresseerd in stikstofase, een enzym dat wordt aangetroffen in in de bodem levende micro-organismen, dat een uniek vermogen heeft om de drievoudige binding van stikstof te verbreken - een van de sterkste bindingen in de natuur. Die moleculaire breuk, die voorkomt in de begraven actieve kern van stikstofase, produceert ammoniak.

In de wereld van de commerciële chemie ammoniak wordt gebruikt om veel waardevolle producten te maken, zoals kunstmest. Maar het produceren van ammoniak op industriële schaal kost veel energie. Veel van die energie wordt besteed aan het proberen de stevige drievoudige bindingen van stikstof te verbreken. Uitzoeken hoe de natuur het zo efficiënt doet, is de sleutel tot het ontwerpen van nieuwe synthetische katalysatoren die het productieproces voor ammoniak en andere commerciële producten verbeteren.

Nitrogenase:de code kraken

Ongeveer twee jaar geleden, het team van PNNL en universiteitswetenschappers isoleerde de ongrijpbare moleculaire structuur in stikstofase - het Janus-tussenproduct genoemd - dat het 'point of no return' in de productie van ammoniak vertegenwoordigt. De onderzoekers ontdekten dat twee negatief geladen waterstofatomen, hydriden genoemd, bruggen vormen met twee ijzerionen. Die bruggen zorgen ervoor dat vier extra elektronen in de kerncluster van atomen kunnen parkeren.

Het laatste onderzoek van het team bevestigde de herverdeling van elektronen in de eiwitomgeving, voldoende energie inpakken om de stikstofbindingen te verbreken en ammoniak te vormen. Krachtige spectroscopietechnieken werden gebruikt om de magnetische interacties tussen elektronen in de metalen kern van het enzym te onderzoeken. Die interacties werden vervolgens gecorreleerd met kwantumsimulaties van de transformatie van het enzym om de moleculaire structuur van het Janus-tussenproduct op te leveren.

"De energie van de elektronenafgifte is verbazingwekkend, "zei Raugei. "Als je denkt aan het toevoegen van elektronen aan een kleine cluster van atomen, één elektron is moeilijk, twee is moeilijker, drie is echt moeilijk, en het toevoegen van de vierde wordt over het algemeen als onmogelijk beschouwd. Maar we ontdekten dat het zo gaat."

Lance Seefeldt, een professor aan de Utah State University die een gezamenlijke aanstelling heeft bij PNNL, leidt het experimentele werk voor het stikstofase-onderzoek van het team. Een andere belangrijke medewerker, en het "meesterbrein achter de spectroscopiemetingen" volgens Raugei, is Brian Hoffman van de Northwestern University. De meest recente bevindingen van het team over stikstofase werden gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society in december 2020.

Kwantumchemie samenwerkingen

Ginovska geeft leiding aan de dagelijkse activiteiten van de postdoctorale onderzoekers van de groep die aan het project werken. Ze crediteert Raugei voor het aangaan en onderhouden van verbindingen tussen de wetenschappelijke gemeenschap om vooruitgang op het gebied van enzymonderzoek te stimuleren.

"Als theoretische hub, we werken samen met universiteiten en andere nationale laboratoria voor de experimentele aspecten van het onderzoek, " zei Ginovska. "We begonnen met stikstofase en het groeide van daar. We werken nu aan verschillende enzymatische systemen. Al dat werk komt terecht in dezelfde kennisbank."

Karl Müller, chief science and technology officer voor het directoraat Fysische en Computationele Wetenschappen van PNNL, genoemde stikstofase is een goed voorbeeld van de uitdagende problemen die kunnen worden aangepakt in een nationaal laboratorium door middel van samenwerking tussen experimentele en computationele wetenschappers, inclusief universitaire onderzoekers. Terwijl de wetenschappers zich voorbereiden om in het najaar van 2021 naar het nieuwe Energy Sciences Center van PNNL te verhuizen, Raugei is ervan overtuigd dat de verbeterde mogelijkheden en samenwerkingsomgeving het team zullen helpen om snel de resterende code te kraken van hoe stikstofase ammoniak vormt.

"We weten dat het te maken heeft met het toevoegen van waterstofatomen, maar hoe? Er zijn een groot aantal mogelijke paden en dat is wat we nu onderzoeken, "zei Raugei. "Dit is absoluut een toepassing waarbij doorbraken in kwantumcomputing ons onderzoek zullen versnellen en ons begrip van complexe systemen zullen vergroten."

Naarmate het tempo van de wetenschappelijke vooruitgang versnelt, stikstofase is slechts één voorbeeld van hoe de belofte van kwantumchemie, kwantumcomputers, en het Energy Sciences Center van PNNL zou kunnen helpen bij het beantwoorden van de volgende grote vraag in katalyse.