Gran avance en la investigación catalítica: división del CO2 con níquel
Se aclara un antiguo mecanismo bacteriano: importantes hallazgos para la protección del clima
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Investigadores de la Universidad Técnica de Berlín y de la Universidad Humboldt de Berlín, pertenecientes al Cluster of Excellence Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat), han dilucidado el mecanismo molecular por el que las bacterias convierten eficazmente el CO₂ en monóxido de carbono. El estudio, publicado en la revista Nature Catalysis, es el primero que muestra con resolución atómica todos los estados catalíticamente relevantes de la enzima "monóxido de carbono deshidrogenasa" (CODH) que contiene níquel, lo que supone un gran avance para la catálisis bioinspirada y la protección del clima. Si los conocimientos así adquiridos pueden transferirse con éxito al desarrollo de nuevos tipos de catalizadores, se podría acelerar enormemente la transición hacia una industria neutra en carbono y una química verde.
"Es fascinante que ahora podamos observar con gran detalle este sofisticado proceso, que la evolución ha optimizado a lo largo de varios miles de millones de años", afirma el Dr. Christian Lorent, del Departamento de Química Física y Biofísica de la Universidad Técnica de Berlín. El éxito que ha logrado junto con el grupo de trabajo "Biología Estructural y Bioquímica" del Prof. Dr. Holger Dobbek, de la Universidad Humboldt de Berlín, se basa en décadas de trabajo preliminar de docenas de grupos de trabajo de muchos países diferentes. "Sólo Holger Dobbek lleva más de 25 años trabajando en esta enzima. La gran pregunta era la función exacta del complejo níquel-hierro, que se esconde en lo más profundo del centro de la monóxido de carbono deshidrogenasa".
El níquel como conductor de la reacción
"Las bacterias utilizan esta deshidrogenasa como catalizador biológico que permite la conversión de CO2 en CO, así como la reacción inversa", explica Christian Lorent. En el primer caso, la molécula de CO formada, más reactiva, puede combinarse con otras sustancias para formar sustancias útiles para el metabolismo de la bacteria. "Si, por el contrario, el monóxido de carbono se quema en dióxido de carbono, se libera energía que la bacteria puede utilizar". Para las reacciones, un átomo de níquel y otro de hierro prácticamente pinzan las moléculas de gas. "El átomo de níquel puede inyectar electrones en la molécula de CO2 o absorberlos del CO Este átomo de níquel cargado también se encarga de unir las dos moléculas", explica Lorent.
Canales para las moléculas
Como el centro de reacción es extremadamente sensible y la reacción debe producirse en ausencia de oxígeno, el complejo níquel-hierro se oculta en lo más profundo del complejo enzimático, formado por varios miles de átomos. Las moléculas de CO y CO2 se desplazan a través de canales a medida -como si fueran cintas transportadoras- hasta el centro de reacción y vuelven a salir. "Gracias a la resolución atómica, podemos reconocer muy bien cómo, por ejemplo, una molécula de CO que se ha formado sigue unida al níquel y ya apunta en la dirección de su canal", afirma Christian Lorent. Los canales están diseñados de tal forma que sólo pueden pasar por ellos las moléculas deseadas.
La estructura se une a la espectroscopia: cómo se creó la imagen completa
Gracias a la cristalografía de rayos X, la espectroscopia infrarroja y la espectroscopia de resonancia de espín electrónico, el equipo de investigación pudo visualizar todos los estados intermedios, desde la unión y escisión del CO₂ hasta la formación y liberación del CO. Para estudiar la enzima mediante el método de cristalografía de rayos X, los investigadores tuvieron que cristalizar primero las moléculas gigantes. Esto crea una estructura ordenada similar a la de los cristales de sal. "Sólo combinando esta cristalografía de proteínas con los métodos espectroscópicos pudimos obtener una imagen completa de todos los pasos de la reacción", explica Lorent. "Este fue el avance decisivo que llevó nuestra comprensión mecanicista a un nuevo nivel".
Relevancia para la protección del clima y la química verde
Los hallazgos van más allá de la investigación básica: proporcionan un anteproyecto para el desarrollo de catalizadores sintéticos que podrían convertir de forma selectiva y eficiente el CO₂ en valiosas materias primas, para la industria química o los combustibles sintéticos, por ejemplo. "Al comprender los antiguos mecanismos de la conversión bacteriana del CO₂, podemos trasladarlos al desarrollo de catalizadores novedosos que podrían acelerar la transición hacia una industria neutra en carbono", afirma Yudhajeet Basak, primer autor del estudio del grupo de investigación de Holger Dobbek.
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