Una svolta nella ricerca sulla catalisi: scissione della CO2 con il nichel
Un antico meccanismo nei batteri è stato chiarito: risultati importanti per la protezione del clima
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I ricercatori della Technische Universität Berlin e della Humboldt-Universität zu Berlin del Cluster of Excellence Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat) hanno chiarito il meccanismo molecolare con cui i batteri convertono efficacemente il CO₂ in monossido di carbonio. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Catalysis, è il primo a mostrare tutti gli stati catalitici rilevanti dell'enzima contenente nichel "monossido di carbonio deidrogenasi" (CODH) con risoluzione atomica - una svolta per la catalisi bioispirata e la protezione del clima. Se le conoscenze acquisite in questo modo potranno essere trasferite con successo allo sviluppo di nuovi tipi di catalizzatori, si potrebbe accelerare in modo massiccio la transizione verso un'industria a emissioni zero e una chimica verde.
"È affascinante poter osservare da vicino questo sofisticato processo, che l'evoluzione ha ottimizzato nel corso di diversi miliardi di anni", afferma il dottor Christian Lorent del Dipartimento di Chimica fisica e biofisica della TU di Berlino. Il successo ottenuto insieme al gruppo di lavoro "Biologia strutturale e biochimica" del Prof. Dr. Holger Dobbek presso la Humboldt-Universität zu Berlin si basa su decenni di lavoro preliminare di decine di gruppi di lavoro di molti Paesi diversi. "Holger Dobbek da solo lavora su questo enzima da oltre 25 anni. La grande domanda era l'esatta funzione del complesso nichel-ferro, che è nascosto in profondità nel centro della monossido di carbonio deidrogenasi".
Il nichel come conduttore della reazione
"I batteri utilizzano questa deidrogenasi come catalizzatore biologico che consente la conversione di CO2 in CO e la reazione inversa", spiega Christian Lorent. Nel primo caso, la molecola di CO più reattiva che si forma può combinarsi con altre sostanze per formare sostanze utili al metabolismo del batterio. "Se invece il monossido di carbonio viene bruciato in anidride carbonica, si libera energia che il batterio può utilizzare". Per le reazioni, un atomo di nichel e un atomo di ferro pinzano virtualmente le molecole di gas. "Lo ione di nichel può iniettare elettroni nella molecola di CO2 o assorbirli dalla molecola di CO Questo atomo di nichel carico si occupa anche di legare le due molecole", spiega Lorent.
Canali per le molecole
Poiché il centro di reazione è estremamente sensibile e la reazione deve avvenire in assenza di ossigeno, il complesso nichel-ferro è nascosto in profondità all'interno del complesso enzimatico, composto da diverse migliaia di atomi. Le molecole di CO e CO2 si muovono attraverso canali personalizzati - come su nastri trasportatori - fino al centro di reazione e poi di nuovo fuori. "Grazie alla risoluzione atomica, possiamo riconoscere molto bene come, ad esempio, una molecola di CO che si è formata sia ancora legata al nichel e stia già puntando in direzione del suo canale", spiega Christian Lorent. I canali sono progettati in modo tale che solo le molecole desiderate possano attraversarli.
La struttura incontra la spettroscopia: come è stata creata l'immagine completa
Utilizzando la cristallografia a raggi X, l'infrarosso e la spettroscopia di risonanza di spin elettronico, il team di ricerca è stato in grado di visualizzare tutti gli stati intermedi, dal legame e dalla scissione del CO₂ alla formazione e al rilascio del CO. Per studiare l'enzima con il metodo della cristallografia a raggi X, i ricercatori hanno dovuto prima cristallizzare le molecole giganti. Questo crea una struttura ordinata simile a quella dei cristalli di sale. "Solo combinando questa cristallografia proteica con i metodi spettroscopici siamo riusciti a ottenere un quadro completo di tutte le fasi della reazione", spiega Lorent. "Questo è stato il progresso decisivo che ha portato la nostra comprensione meccanicistica a un nuovo livello".
Importanza per la protezione del clima e la chimica verde
I risultati vanno oltre la ricerca di base: forniscono un'idea per lo sviluppo di catalizzatori sintetici che potrebbero convertire in modo selettivo ed efficiente la CO₂ in preziose materie prime, ad esempio per l'industria chimica o per i carburanti sintetici. "Comprendendo gli antichi meccanismi di conversione della CO₂ batterica, possiamo trasferirli allo sviluppo di nuovi catalizzatori che potrebbero accelerare la transizione verso un'industria a emissioni zero", afferma Yudhajeet Basak, primo autore dello studio del gruppo di ricerca di Holger Dobbek.
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