Blog

Jun 01, 2023

Es tan metálico: los científicos confirman que el níquel juega un papel clave en una antigua reacción química

Los científicos de SLAC demostraron que un compuesto de carbono-metal con un átomo de níquel perfectamente ubicado desempeña un papel clave en la conversión del dióxido de carbono en componentes para alimentos y energía. Por Kimberly Hickok Carbono

Los científicos de SLAC demostraron que un compuesto de carbono-metal con un átomo de níquel perfectamente ubicado desempeña un papel clave en la conversión del dióxido de carbono en componentes para alimentos y energía.

Por Kimberly Hickok

El dióxido de carbono (CO2) es el gas de efecto invernadero más abundante que causa el cambio climático, pero existe en la Tierra mucho antes de que los humanos comenzaran a liberarlo a la atmósfera en niveles sin precedentes. Como tal, algunos de los primeros organismos del planeta evolucionaron para aprovechar y utilizar este gas que, de otro modo, sería perjudicial para los humanos y el planeta.

Uno de esos procesos, llamado vía Wood-Ljungdahl, sólo ocurre en ausencia de oxígeno y se cree que es la vía de fijación de carbono más eficiente en la naturaleza. Pero no está claro exactamente cómo avanza el camino de un paso al siguiente.

Ahora, científicos de la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón de Stanford (SSRL) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Michigan, la Universidad Northwestern y la Universidad Carnegie Mellon han descubierto el funcionamiento interno previamente desconocido de la vía Wood-Ljungdahl. Sus hallazgos, publicados en el Journal of the American Chemical Society el mes pasado, no sólo arrojan luz sobre una de las reacciones químicas más antiguas de la Tierra, sino que también pueden conducir a mejores técnicas de captura de carbono para los esfuerzos de mitigación del cambio climático.

"Antes de este estudio, sabíamos que para que la vía Wood-Ljungdahl genere carbono para que lo utilicen los organismos, comienza con dióxido de carbono", dijo Macon Abernathy, investigador asociado de SSRL y coautor del estudio. "Luego convierte el CO2 en monóxido de carbono y un grupo metilo y, mediante algún tipo de magia química, los fusiona en una forma de carbono que puede ser utilizada por el organismo".

Durante años, los científicos postularon que la vía opera a través de una serie de intermediarios organometálicos a base de níquel, que forman enlaces metal-carbono. En concreto, los investigadores se han centrado en un complejo de dos proteínas de níquel, hierro y azufre, llamadas CO deshidrogenasa y acetil-CoA sintasa (CODH/ACS), que son las principales enzimas que catalizan la conversión de dióxido de carbono en energía y carbono estructural para la construcción. paredes celulares y proteínas.

Pero confirmar esta hipótesis ha resultado complicado, ya que el complejo enzimático debe purificarse en una atmósfera carente de oxígeno, como la de la Tierra primitiva hace 4 mil millones de años, cuando surgieron estas proteínas y esta vía. Además, los compuestos intermedios suelen ser inestables y la reacción puede volverse inactiva rápidamente. Además, la presencia de otros átomos de níquel y hierro en la CODH interfiere con el estudio del SCA, objetivo de este estudio.

Para sortear estos desafíos, los investigadores desarrollaron una versión más activa de la proteína, solo ACS, sin CODH, y utilizaron rayos X en SSRL para comprender sus metales y cómo funcionan dentro de la enzima. El equipo aplicó espectroscopía de rayos X, una técnica en la que los científicos estudian la interferencia de la luz que es absorbida, liberada y luego rebotada en los metales en un complejo (en este caso, el ACS) para identificar los enlaces químicos cambiantes a medida que tienen lugar las reacciones. .

En resumen, los científicos confirmaron su antigua hipótesis.

"Lo que encontramos es que hay una parte muy compleja de química organometálica en la que un solo sitio de níquel en la enzima hace todas las cosas divertidas", dijo Ritimukta Sarangi, científica principal de SSRL y autora correspondiente del estudio.

El equipo descubrió que aunque la enzima tiene un grupo de dos níqueles unidos a cuatro átomos cada uno de hierro y azufre, la reacción siempre tiene lugar en un níquel específico dentro del grupo, dijo Steve Ragsdale, profesor de la Universidad de Michigan y autor correspondiente. sobre el estudio. "Los carbonos, como el monóxido de carbono, el grupo metilo y el grupo acetilo, se unen al níquel más cercano al hierro y al azufre, y está muy claro que no se unen a ninguno de los otros metales".

Los investigadores también notaron que la proteína que contiene níquel sufre cambios importantes en su estructura en cada uno de los estados intermedios, dijo Ragsdale. “Eso es algo que realmente no formaba parte de nuestra hipótesis original. Estábamos pensando en que la química básica estuviera basada en níquel. Pero luego vemos todos estos otros cambios que tienen lugar en la proteína, lo cual fue un poco sorprendente”.

Aunque los investigadores tenían ideas sólidas sobre cómo funciona la reacción, verla en acción fue impresionante, dijo Abernathy.

"Es un ajuste muy preciso de la naturaleza llegar a este elegante sistema que realiza esta catálisis", dijo Sarangi. “Me encanta eso y nuestra capacidad de utilizar la espectroscopia de rayos X, que es una herramienta extremadamente poderosa para descubrir qué sucede en la naturaleza. El recurso de biología molecular estructural de SSRL tiene un programa de espectroscopia de rayos X biológica líder en el mundo que permite el estudio de procesos biológicos tan complejos”.

Además de su aprecio por la belleza natural de la ruta Wood-Ljungdahl en sí, Ragsdale dijo que espera que la investigación para comprender mejor estos procesos naturales, y tal vez mejorarlos, pueda conducir a métodos para mitigar el cambio climático y desarrollar la captura de carbono para fabricar materias primas químicas. y combustibles. "Creo que primero debemos comprender la bioquímica básica detrás del proceso", dijo, "antes de que podamos avanzar en la mejora de algunas de estas vías tal como existen en la naturaleza".

SSRL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE. El recurso de biología molecular estructural de SSRL está financiado por los Institutos Nacionales de Salud y la Oficina de Ciencias del DOE.

SLAC es un vibrante laboratorio multiprograma que explora cómo funciona el universo en las escalas más grande, más pequeña y más rápida e inventa poderosas herramientas utilizadas por científicos de todo el mundo. Con investigaciones que abarcan física de partículas, astrofísica y cosmología, materiales, química, ciencias biológicas y energéticas e informática científica, ayudamos a resolver problemas del mundo real y promover los intereses de la nación.

SLAC es operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.

Los investigadores demuestran una forma de eliminar el potente gas de efecto invernadero del escape de los motores que queman gas natural.

Los resultados deberían ampliar nuestra comprensión de reacciones similares con funciones vitales en la química, como la producción de vitamina D en nuestro cuerpo.

Después de décadas de esfuerzo, los científicos finalmente han visto el proceso mediante el cual la naturaleza crea el oxígeno que respiramos utilizando el láser de rayos X de SLAC.

Los investigadores demuestran una forma de eliminar el potente gas de efecto invernadero del escape de los motores que queman gas natural.

Los resultados deberían ampliar nuestra comprensión de reacciones similares con funciones vitales en la química, como la producción de vitamina D en nuestro cuerpo.

Después de décadas de esfuerzo, los científicos finalmente han visto el proceso mediante el cual la naturaleza crea el oxígeno que respiramos utilizando el láser de rayos X de SLAC.

Dos becarios GEM reflexionan sobre sus pasantías de verano en SLAC y comparten sus opiniones sobre la representación y la tutoría.

Encapsular catalizadores de metales preciosos en una estructura de alúmina similar a una red podría reducir la cantidad necesaria en los convertidores catalíticos y nuestra dependencia de estos metales escasos.

Al revelar la química de las secreciones o exudados de las plantas, estos estudios sientan la base para comprender y conservar mejor el arte y las herramientas hechas con...