Avanço na investigação em catálise: separação de CO2 com níquel
Elucidação de um mecanismo antigo nas bactérias - descobertas importantes para a proteção do clima
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Investigadores da Technische Universität Berlin e da Humboldt-Universität zu Berlin, no âmbito do Cluster of Excellence Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat), elucidaram o mecanismo molecular através do qual as bactérias convertem eficazmente o CO₂ em monóxido de carbono. O estudo, publicado na revista Nature Catalysis, é o primeiro a mostrar todos os estados cataliticamente relevantes da enzima contendo níquel "monóxido de carbono desidrogenase" (CODH) em resolução atómica - um avanço para a catálise bioinspirada e a proteção do clima. Se os conhecimentos adquiridos desta forma puderem ser transferidos com êxito para o desenvolvimento de novos tipos de catalisadores, isso poderá acelerar enormemente a transição para uma indústria neutra em termos de carbono e para a química verde.
"É fascinante podermos agora observar em grande pormenor este processo sofisticado, que a evolução optimizou ao longo de vários milhares de milhões de anos", afirma o Dr. Christian Lorent, do Departamento de Química Física e Biofísica da TU Berlin. Dr. Holger Dobbek, do grupo de trabalho "Biologia Estrutural e Bioquímica" da Humboldt-Universität zu Berlin, baseia-se em décadas de trabalho preliminar efectuado por dezenas de grupos de trabalho de muitos países diferentes. "Só Holger Dobbek trabalha nesta enzima há mais de 25 anos. A grande questão era a função exacta do complexo níquel-ferro, que está escondido no centro da monóxido de carbono desidrogenase".
O níquel como condutor da reação
"As bactérias utilizam esta desidrogenase como um catalisador biológico que permite a conversão do CO2 em CO, bem como a reação inversa", explica Christian Lorent. No primeiro caso, a molécula de CO mais reactiva que se forma pode combinar-se com outras substâncias para formar substâncias úteis ao metabolismo da bactéria. "Se, por outro lado, o monóxido de carbono for queimado em dióxido de carbono, é libertada energia que a bactéria pode utilizar". Para as reacções, um átomo de níquel e um átomo de ferro praticamente prendem as moléculas de gás. "O ião de níquel pode injetar electrões na molécula de CO2 ou absorvê-los do CO Este átomo de níquel carregado assume também a ligação das duas moléculas", explica Lorent.
Canais para as moléculas
Dado que o centro de reação é extremamente sensível e que a reação deve ocorrer na ausência de oxigénio, o complexo níquel-ferro está escondido no interior da enzima complexa, constituída por vários milhares de átomos. As moléculas de CO e CO2 deslocam-se através de canais personalizados - como se estivessem em tapetes rolantes - para o centro de reação e para o exterior. "Graças à resolução atómica, podemos reconhecer muito bem como, por exemplo, uma molécula de CO que se formou ainda está ligada ao níquel e já está a apontar na direção do seu canal", diz Christian Lorent. Os canais são concebidos de forma a que apenas as moléculas desejadas possam passar através deles.
A estrutura encontra a espetroscopia: como foi criada a imagem completa
Utilizando a mais moderna cristalografia de raios X, infravermelhos e espetroscopia de ressonância de spin eletrónico, a equipa de investigação conseguiu visualizar todos os estados intermédios - desde a ligação e clivagem do CO₂ até à formação e libertação do CO. Para estudar a enzima utilizando o método de cristalografia de raios X, os investigadores tiveram primeiro de cristalizar as moléculas gigantes. Isto cria uma estrutura ordenada semelhante à dos cristais de sal. "Só combinando esta cristalografia de proteínas com os métodos espectroscópicos é que conseguimos obter uma imagem completa de todas as etapas da reação", explica Lorent. "Este foi o avanço decisivo que levou a nossa compreensão mecanicista a um novo nível".
Relevância para a proteção do clima e a química verde
As descobertas vão além da pesquisa básica: elas fornecem um modelo para o desenvolvimento de catalisadores sintéticos que poderiam converter seletiva e eficientemente o CO₂ em matérias-primas valiosas - para a indústria química ou combustíveis sintéticos, por exemplo. "Ao compreender os mecanismos antigos de conversão de CO₂ bacteriano, podemos transferi-los para o desenvolvimento de novos catalisadores que podem acelerar a transição para uma indústria neutra em carbono", diz Yudhajeet Basak, primeiro autor do estudo do grupo de pesquisa de Holger Dobbek.
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