Todos los organismos vivos dependen de enzimas, moléculas que aceleran las reacciones bioquímicas que son esenciales para la vida.
Los científicos han pasado décadas tratando de crear enzimas artificiales capaces de producir productos químicos y combustibles importantes a escala industrial con un rendimiento que rivaliza con sus contrapartes naturales.
Investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC han desarrollado un catalizador sintético que produce productos químicos de forma muy similar a las enzimas en los organismos vivos. En un estudio publicado en la edición del 5 de agosto de Catálisis de la naturaleza , los investigadores dicen que su descubrimiento podría conducir a catalizadores industriales capaces de producir metanol usando menos energía y a un costo menor. El metanol tiene una variedad de aplicaciones, y hay una creciente demanda de su uso como combustible con menos emisiones que las convencionalesgasolina.
"Nos inspiramos en la naturaleza", dijo el autor principal Matteo Cargnello, profesor asistente de ingeniería química en Stanford. "Queríamos imitar la función de las enzimas naturales en el laboratorio utilizando catalizadores artificiales para hacer compuestos útiles".
Para el experimento, los investigadores diseñaron un catalizador hecho de nanocristales de paladio, un metal precioso, incrustado en capas de polímeros porosos diseñados con propiedades catalíticas especiales. La mayoría de las enzimas proteicas que se encuentran en la naturaleza también tienen metales traza, como zinc y hierro, incrustadosen su núcleo.
Los investigadores pudieron observar trazas de paladio en sus catalizadores con imágenes microscópicas electrónicas del coautor Andrew Herzing, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
modelo de reacción
"Nos centramos en un modelo de reacción química: la conversión de monóxido de carbono tóxico y oxígeno en dióxido de carbono CO 2 ", dijo el estudiante de doctorado Andrew Riscoe, autor principal del estudio." Nuestro objetivo era ver si el catalizador artificial funcionaría como una enzima al acelerar la reacción y controlar la forma de CO 2 se produce ".
Para descubrirlo, Riscoe colocó el catalizador en un tubo del reactor con un flujo continuo de monóxido de carbono y oxígeno gaseoso. Cuando el tubo se calentó a aproximadamente 150 grados Celsius 302 grados Fahrenheit, el catalizador comenzó a generar el producto deseado, carbonodióxido.
Los rayos X de alta energía de la Fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford SSRL en SLAC revelaron que el catalizador tenía rasgos similares a los observados en las enzimas: los nanocristales de paladio dentro del catalizador reaccionaban continuamente con oxígeno y monóxido de carbono para producir dióxido de carbonoY algunas de las moléculas de dióxido de carbono recién formadas quedaron atrapadas en las capas externas de polímero al escapar de los nanocristales.
"Los rayos X mostraron que una vez que las capas de polímero se llenaban con CO 2 , la reacción se detuvo ", dijo Cargnello, un afiliado de la Iniciativa de Gas Natural de Stanford NGI." Esto es importante, porque es la misma estrategia utilizada por las enzimas. Cuando una enzima produce demasiado producto, deja de funcionar, porque el producto ya no es necesario. Hemos demostrado que también podemos regular la producción de CO 2 controlando la composición química de las capas de polímero. Este enfoque podría afectar muchas áreas de catálisis ".
La imagen de rayos X fue realizada por los coautores del estudio Alexey Boubnov, un erudito posdoctoral de Stanford, y los científicos de SLAC Simon Bare y Adam Hoffman.
haciendo metanol
Con el éxito del experimento de dióxido de carbono, Cargnello y sus colegas han centrado su atención en convertir el metano, el ingrediente principal del gas natural, en metanol, un químico ampliamente utilizado en textiles, plásticos y pinturas. El metanol también ha sido promocionado comouna alternativa más barata y limpia al combustible de gasolina.
"La capacidad de convertir metano en metanol a bajas temperaturas se considera un santo grial de catálisis", dijo Cargnello. "Nuestro objetivo a largo plazo es construir un catalizador que se comporte como metano monooxoygenase, una enzima natural que ciertos microbios usan parametabolizar metano "
Actualmente, la mayor parte del metanol se produce en un proceso de dos pasos que consiste en calentar el gas natural a temperaturas de aproximadamente 1,000 C 1,800 F. Pero este proceso intensivo en energía emite una gran cantidad de dióxido de carbono, un potente gas de efecto invernadero que contribuye acambio climático global.
"Un catalizador artificial que convierte directamente metano en metanol requeriría temperaturas mucho más bajas y emitiría mucho menos CO 2 ", explicó Riscoe." Idealmente, también podríamos controlar los productos de la reacción diseñando capas de polímero que atrapen el metanol antes de que se queme ".
enzimas futuras
"En este trabajo, demostramos que podemos preparar materiales híbridos hechos de polímeros y nanocristales metálicos que tienen ciertos rasgos típicos de la actividad enzimática", dijo Cargnello, quien también está afiliado al Centro SUNCAT de Ciencias de Interfaz y Catálisis de Stanford ".Lo interesante es que podemos aplicar estos materiales a muchos sistemas, ayudándonos a comprender mejor los detalles del proceso catalítico y acercándonos un paso más a las enzimas artificiales ".
Otros coautores incluyen a la estudiante de doctorado de Stanford, Cody Wrasman, y a las pasantes de secundaria Aditya Menon y Maria Vargas con el apoyo del programa Stanford's Raising Interest in Science and Engineering RISE.
La financiación de la investigación fue proporcionada por una subvención inicial de NGI, una colaboración entre la Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente Stanford Earth y el Instituto Precourt para la Energía. El apoyo adicional fue proporcionado por una beca Terman Faculty Fellowship en la Escuela de Ingeniería de Stanfordy el Programa de Becas de Investigación para Graduados de la Fundación Nacional de Ciencias. La Oficina de Ciencias de la Oficina de Ciencias Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. financió el trabajo para SSRL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de Stanford . Original escrito por Mark Shwartz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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