La imitación de enzimas biológicas puede ser la clave para la producción de combustible de hidrógeno
Una antigua enzima puede ser crucial en el impulso mundial hacia una economía de energías renovables
Una antigua enzima biológica conocida como níquel-hierro hidrogenasa podría desempeñar un papel clave en la producción de hidrógeno para una economía energética basada en las energías renovables, según afirman unos investigadores. El cuidadoso estudio de la enzima ha llevado a químicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign a diseñar una molécula sintética que imita la reacción química de producción de hidrógeno gaseoso que lleva a cabo la enzima. Los investigadores publican sus hallazgos en la revista Nature Communications.
La hidrogenasa de níquel-hierro, descrita por los investigadores como "una de las enzimas más complicadas y bellas de la naturaleza", puede ser crucial en el impulso mundial hacia una economía de energías renovables.
Graphic courtesy Mirica group
En la actualidad, el hidrógeno industrial suele producirse separando las moléculas de hidrógeno gaseoso de los átomos de oxígeno del agua mediante un proceso denominado electrólisis. Para potenciar esta reacción química en el ámbito industrial, se utiliza metal de platino como catalizador en los cátodos que dirigen la reacción. Sin embargo, muchos estudios han demostrado que el coste y la escasez del platino lo hacen poco atractivo a medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía más respetuosas con el medio ambiente.
En cambio, la enzima hidrogenasa de níquel-hierro produce hidrógeno utilizando metales terrestres en su núcleo, explica el profesor de química Liviu Mirica, que dirigió el estudio con el estudiante de posgrado Sagnik Chakrabarti.
"El níquel del núcleo de la enzima natural produce hidrógeno reduciendo los protones del agua", explica Chakrabarti. "Durante el proceso catalítico, el centro de níquel pasa por intermedios paramagnéticos, lo que significa que los intermedios tienen un electrón no apareado, lo que los hace extremadamente efímeros".
Los químicos sintéticos llevan más de una década fabricando compuestos de níquel que producen hidrógeno, explica Mirica. Aunque algunos de estos compuestos son muy eficaces en la producción de hidrógeno, la gran mayoría de ellos funcionan a través de intermediarios que no son paramagnéticos.
"Los investigadores intentan imitar exactamente lo que hace la naturaleza porque es eficiente, y maximizar la eficiencia es un reto clave que hay que superar cuando se diseñan fuentes de energía", explica Mirica. "Nuestro grupo intenta reproducir los pasos intermedios paramagnéticos que se producen en la enzima natural para aumentar la eficiencia e imitar a la naturaleza".
Para lograrlo, el equipo diseñó una molécula orgánica llamada ligando que contiene átomos donadores de electrones como el nitrógeno y el azufre, y puede mantener el níquel en su lugar y soportar los dos estados paramagnéticos relevantes que producen hidrógeno. El elemento clave del diseño que diferencia a esta molécula de otros catalizadores es la presencia de un enlace carbono-hidrógeno cerca del centro de níquel que se rompe y se vuelve a formar durante la catálisis. Esto fue crucial para estabilizar los estados paramagnéticos antes mencionados.
"Una de las claves de nuestro trabajo es que, al utilizar el ligando especialmente diseñado de la forma en que lo hemos hecho, hemos conseguido unir ideas de dos campos de la química inorgánica -la química bioinorgánica y la organometálica- para fabricar complejos de níquel que se comportan de forma similar al sitio activo de una de las enzimas más bellas y complicadas de la naturaleza", afirmó Chakrabarti.
Según los investigadores, recientemente se han descubierto varias enzimas inusuales que presentan enlaces metal-carbono en sus sitios activos. Estos principios de diseño en complejos sintéticos podrían ayudar a comprender mejor cómo la naturaleza hace química con moléculas pequeñas como el hidrógeno.
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