Door de biologische fixatie van het element stikstof door het enzym stikstofase, organismen krijgen toegang tot moleculaire stikstof (N ₂ ) in de atmosfeer van de aarde, wat essentieel is voor het bouwen van cellulaire structuren. In aanvulling, een vanadiumafhankelijke variant van stikstofase kan het giftige gas koolmonoxide (CO) reduceren tot koolwaterstoffen. Deze verlagingen van N ₂ en CO behoren tot de belangrijkste processen in de industriële chemie, omdat ze worden gebruikt om zowel meststoffen als synthetische brandstoffen te produceren. Echter, onderzoekers hebben de verschillende routes van de twee reacties nog niet kunnen ontcijferen.

Dr. Michael Rohde van het team van Prof. Dr. Oliver Einsle aan het Instituut voor Biochemie aan de Universiteit van Freiburg, in samenwerking met twee onderzoeksgroepen van de Freie Universität Berlin, heeft nu kunnen laten zien hoe de actieve plaats van het vanadiumafhankelijke stikstofase in staat is om twee CO-moleculen tegelijkertijd te binden, daarmee de basis creërend voor het combineren van de ruimtelijk aangrenzende koolstofatomen van beide moleculen in een reductieproces. De onderzoekers presenteerden onlangs hun resultaten in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

De industriële reducties van N ₂ en CO - bekend als de Haber-Bosch- en Fischer-Tropsch-processen, respectievelijk - vereisen hoge temperaturen en druk. terwijl N ₂ reductie leidt tot het biologisch beschikbare product ammonium (NH ₄ ⁺ ), ten minste twee koolstofatomen combineren tijdens de omzetting van CO. Het overheersende reactieproduct is ethyleen (etheen, C ₂ H ₄ ), een kleurloos gas dat niet alleen een belangrijke rol speelt in brandstoffen maar ook bij de productie van kunststoffen. Hoewel de splitsing van een N-N-binding bij stikstoffixatie chemisch nogal fundamenteel verschilt van de vorming van een C-C-binding bij CO-reductie, wetenschappers vermoedden eerder dat stikstofase voor beide reacties dezelfde mechanistische basisprincipes gebruikt.

In een eerder werk, het team onder leiding van Rohde en Einsle gebruikte stikstofase om te reageren met CO-gas, resulterend in de specifieke binding van een enkel molecuul. In hun huidige studie die voortbouwt op dit werk, de onderzoekers laten zien dat ze kristallen van deze eerste toestand met CO onder druk hebben vergast en vervolgens aan röntgenkristallografische analyse hebben onderworpen. Hierdoor konden ze direct zien hoe een tweede CO-molecuul bindt. "De vorm van stikstofase die op deze manier wordt verkregen, met twee CO-moleculen op de actieve plaats, vertegenwoordigt waarschijnlijk een geblokkeerde staat, "Rohde legt uit, "maar het geeft directe aanwijzingen voor het mechanisme van het enzym." Als resultaat, Het team van Einsle kan nu een gedetailleerd mechanisme van CO-reductie door middel van stikstofase schetsen.