Wetenschappers zijn dichter bij het vinden van manieren om koolstofdioxide in de atmosfeer om te zetten in industrieel bruikbare chemicaliën dankzij een RIKEN-onderzoek waarin werd gekeken naar hoe de natuur koolstofdioxide omzet in complexere organische verbindingen - een van de processen die ten grondslag liggen aan de oorsprong van het leven.

Het vinden van een energetisch efficiënt middel om kooldioxidegas om te zetten in bruikbare verbindingen is zeer aantrekkelijk om de uitstoot van het broeikasgas op een economisch haalbare manier te verminderen. In de natuur, kooldioxide wordt omgezet in koolmonoxide en vervolgens in complexere organische verbindingen door reacties die hoogstwaarschijnlijk verband houden met de oorsprong van het leven op aarde.

Deze reacties kunnen verschillende wegen volgen, maar een bijzonder efficiënte maakt gebruik van het enzym koolmonoxidedehydrogenase (CODH), wat helpt de energetische kosten te verminderen die gepaard gaan met de eerste stap van de reactie:de reductie van kooldioxide tot koolmonoxide. Inzicht in het katalytische mechanisme van het CODH-enzym zou zo de weg kunnen effenen voor milieuvriendelijke technologische toepassingen en belangrijke inzichten bieden in de oorsprong van het leven op onze planeet.

Elk enzym heeft een specifieke actieve plaats waar de relevante reacties plaatsvinden. Nutsvoorzieningen, Ryuhei Nakamura van het RIKEN Centre for Sustainable Resource Science (CSRS) en collega's hebben voorgesteld dat een specifiek atoom, nikkel, is de sleutel tot het reactiemechanisme dat plaatsvindt op de actieve plaats van het CODH-enzym.

"CODH is een zeldzaam enzym dat een actieve plaats van nikkel-ijzersulfide gebruikt in plaats van de meer gebruikelijke clusters van ijzersulfide, " legt Hideshi Ooka uit, co-auteur van het artikel. "Terwijl onze groep en anderen al hebben gemeld dat het toevoegen van nikkel aan ijzersulfiden de efficiëntie voor de vermindering van kooldioxide verbetert, de reden waarom nikkel belangrijk is, was niet bekend vanwege het ontbreken van in situ spectroscopische studies, " zegt Ji-Eun Lee, ook van CSRS.

Het team gebruikte drie anorganische analogen van de CODH-actieve site:één met ijzer en zwavel en twee met nikkel, ijzer en zwavel - en volgde de kooldioxide-reductie op de drie analogen met behulp van infraroodspectroscopie terwijl de toegepaste elektrische potentiaal werd gevarieerd.

Kooldioxidereductie vond alleen plaats in aanwezigheid van nikkel, die zich aan koolstof bindt, terwijl ijzer aan zuurstof bindt. Naarmate het potentieel groter werd, de ijzerzwavel- en nikkelcluster katalyseerde de verdere reductie van koolmonoxide tot de formylgroep, die vervolgens werd omgezet in methaan en ethaan.

Door hun werk, Nakamura en collega's hebben op moleculair niveau inzicht verschaft in de door nikkel versterkte reductie van kooldioxide, belangrijke inzichten bieden voor de ontwikkeling van biomimetische katalysatoren.

"Onze resultaten laten ook zien dat koolstofdioxidereductie mogelijk is op het oppervlak van mineralen, wat suggereert dat nikkel-ijzersulfiden kunnen hebben bijgedragen aan de prebiotische fixatie van koolstofdioxide, ' zegt Nakamura.