Все живые организмы зависят от ферментов - молекул, которые ускоряют биохимические реакции, необходимые для жизни.
Ученые десятилетиями пытались создать искусственные ферменты, способные производить важные химические вещества и топливо в промышленных масштабах с производительностью, не уступающей их природным аналогам.
Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработали синтетический катализатор, который производит химические вещества так же, как ферменты в живых организмах. В исследовании, опубликованном в авг. В 5-м выпуске журнала Nature Catalysis исследователи говорят, что их открытие может привести к созданию промышленных катализаторов, способных производить метанол с меньшими затратами энергии и меньшими затратами. Метанол имеет множество применений, и растет спрос на его использование в качестве топлива с меньшими выбросами, чем у обычного бензина.
«Мы черпали вдохновение у природы», - сказал старший автор Маттео Карньелло, доцент кафедры химического машиностроения в Стэнфорде. «Мы хотели имитировать функцию природных ферментов в лаборатории, используя искусственные катализаторы для создания полезных соединений».
Для эксперимента исследователи разработали катализатор, состоящий из нанокристаллов палладия, драгоценного металла, встроенных в слои пористых полимеров, обладающих особыми каталитическими свойствами. Большинство белковых ферментов, встречающихся в природе, также содержат микроэлементы, такие как цинк и железо, встроенные в их ядро.
Исследователи смогли обнаружить следы палладия в своих катализаторах с помощью электронно-микроскопических изображений, сделанных соавтором Эндрю Херцингом из Национального института стандартов и технологий.
Модельная реакция
"Мы сосредоточились на модельной химической реакции: превращение токсичного монооксида углерода и кислорода в диоксид углерода (CO2)", - сказал аспирант Эндрю Риско, ведущий автор исследования.. «Наша цель состояла в том, чтобы увидеть, будет ли искусственный катализатор функционировать как фермент, ускоряя реакцию и контролируя способ производства CO2»..
Чтобы выяснить это, Риско поместил катализатор в трубку реактора с непрерывным потоком угарного газа и газообразного кислорода. Когда трубку нагрели примерно до 150 градусов по Цельсию (302 градуса по Фаренгейту), катализатор начал генерировать желаемый продукт - двуокись углерода.
Высокоэнергетическое рентгеновское излучение Стэнфордского источника синхротронного излучения (SSRL) в SLAC показало, что катализатор имеет черты, сходные с теми, что наблюдаются в ферментах: нанокристаллы палладия внутри катализатора непрерывно реагируют с кислородом и монооксидом углерода, производят углекислый газ. И некоторые из вновь образованных молекул углекислого газа оказались в ловушке во внешних слоях полимера, когда они вырвались из нанокристаллов.
«Рентгеновские снимки показали, что как только полимерные слои были заполнены CO2, реакция остановилась», - сказал Карньелло, член Стэнфордской инициативы по природному газу (NGI).). «Это важно, потому что та же стратегия используется ферментами. Когда фермент производит слишком много продукта, он перестает работать, потому что продукт больше не нужен. Мы показали, что мы также можем регулировать производство CO 2 путем контроля химического состава полимерных слоев. Такой подход может повлиять на многие области катализа.
Рентгеновское изображение было проведено соавторами исследования Алексеем Бубновым, докторантом из Стэнфорда, и учеными SLAC Саймоном Бэром и Адамом Хоффманом.
Производство метанола
С успехом эксперимента с двуокисью углерода Карньелло и его коллеги обратили внимание на преобразование метана, основного ингредиента природного газа, в метанол, химическое вещество, широко используемое в текстиле, пластмассах и красках. Метанол также рекламируется как более дешевая и чистая альтернатива бензиновому топливу.
«Способность превращать метан в метанол при низких температурах считается священным Граалем катализа», - сказал Карньелло. «Наша долгосрочная цель - создать катализатор, который ведет себя как метанмонооксигеназа, природный фермент, который некоторые микробы используют для метаболизма метана».
Большая часть метанола сегодня производится в двухстадийном процессе, который включает нагрев природного газа до температуры около 1 000 C (1 800 F). Но этот энергоемкий процесс приводит к выбросу большого количества углекислого газа, мощного парникового газа, который способствует глобальному изменению климата.
«Искусственный катализатор, который напрямую превращает метан в метанол, требует гораздо более низких температур и выделяет гораздо меньше CO2», - объяснил Риско. «В идеале мы могли бы также контролировать продукты реакции, разрабатывая полимерные слои, которые улавливают метанол до того, как он сгорит.
Ферменты будущего
«В этой работе мы продемонстрировали, что можем получать гибридные материалы из полимеров и металлических нанокристаллов, которые обладают определенными чертами, типичными для ферментативной активности», - сказал Карньелло, который также является членом Стэнфордского центра исследований и катализа SUNCAT.. «Самое интересное заключается в том, что мы можем применять эти материалы во многих системах, помогая нам лучше понять детали каталитического процесса и делая нас на один шаг ближе к искусственным ферментам».
Дополнительными соавторами являются аспирант Стэнфордского университета Коди Врасман и стажеры средней школы Адитья Менон и Мария Варгас при поддержке Стэнфордской программы повышения интереса к науке и технике (RISE).
Финансирование исследований было предоставлено за счет начального гранта от NGI, созданного в сотрудничестве между Школой наук о Земле, энергетике и окружающей среде (Stanford Earth) и Институтом энергетики Precourt. Дополнительную поддержку оказали стипендии профессорско-преподавательского состава Термана Стэнфордской инженерной школы и программа стипендий для аспирантов Национального научного фонда. Финансирование работы над SSRL было предоставлено Управлением науки Министерства энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук.