Todos los organismos vivos dependen de enzimas, moléculas que aceleran las reacciones bioquímicas que son esenciales para la vida.

Los científicos han pasado décadas tratando de crear enzimas artificiales capaces de producir sustancias químicas y combustibles importantes a escala industrial con un rendimiento que rivaliza con sus contrapartes naturales.

Investigadores de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC han desarrollado un catalizador sintético que produce sustancias químicas de forma muy similar a como lo hacen las enzimas en los organismos vivos. En un estudio publicado en la edición del 5 de agosto de Catálisis de la naturaleza , los investigadores dicen que su descubrimiento podría conducir a catalizadores industriales capaces de producir metanol usando menos energía y a un costo menor. El metanol tiene una variedad de aplicaciones, y existe una demanda creciente para su uso como combustible con menores emisiones que la gasolina convencional.

"Nos inspiramos en la naturaleza, "dijo el autor principal Matteo Cargnello, profesor asistente de ingeniería química en Stanford. "Queríamos imitar la función de las enzimas naturales en el laboratorio utilizando catalizadores artificiales para producir compuestos útiles".

Para el experimento, los investigadores diseñaron un catalizador hecho de nanocristales de paladio, un metal precioso, incrustado en capas de polímeros porosos diseñados con propiedades catalíticas especiales. La mayoría de las enzimas proteicas que se encuentran en la naturaleza también tienen trazas de metales, como el zinc y el hierro, incrustado en su núcleo.

Los investigadores pudieron observar trazas de paladio en sus catalizadores con imágenes de microscopio electrónico del coautor Andrew Herzing del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

Reacción del modelo

"Nos centramos en una reacción química modelo:convertir el monóxido de carbono y el oxígeno tóxicos en dióxido de carbono (CO2), "dijo el estudiante de doctorado Andrew Riscoe, autor principal del estudio. "Nuestro objetivo era ver si el catalizador artificial funcionaría como una enzima al acelerar la reacción y controlar la forma en que se produce el CO2".

Descubrir, Riscoe colocó el catalizador en un tubo reactor con un flujo continuo de monóxido de carbono y oxígeno gaseoso. Cuando el tubo se calentó a unos 150 grados Celsius (302 grados Fahrenheit), el catalizador comenzó a generar el producto deseado, dióxido de carbono.

Los rayos X de alta energía de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) en SLAC revelaron que el catalizador tenía rasgos similares a los que se ven en las enzimas:los nanocristales de paladio dentro del catalizador reaccionaban continuamente con oxígeno y monóxido de carbono para producir dióxido de carbono. Y algunas de las moléculas de dióxido de carbono recién formadas quedaron atrapadas en las capas externas de polímero a medida que escapaban de los nanocristales.

"Los rayos X mostraron que una vez que las capas de polímero se llenaron de CO2, la reacción se detuvo, "dijo Cargnello, afiliado a la Stanford Natural Gas Initiative (NGI). "Esto es importante, porque es la misma estrategia que utilizan las enzimas. Cuando una enzima produce demasiado producto, deja de funcionar, porque el producto ya no es necesario. Demostramos que también podemos regular la producción de CO2 controlando la composición química de las capas de polímero. Este enfoque podría afectar muchas áreas de catálisis ".

Las imágenes de rayos X fueron realizadas por los coautores del estudio Alexey Boubnov, un becario postdoctoral de Stanford, y los científicos de SLAC Simon Bare y Adam Hoffman.

Haciendo metanol

Con el éxito del experimento del dióxido de carbono, Cargnello y sus colegas han centrado su atención en convertir metano, el ingrediente principal del gas natural, en metanol, un químico ampliamente utilizado en textiles, plásticos y pinturas. El metanol también se ha promocionado como un alternativa más limpia a la gasolina.

"La capacidad de convertir metano en metanol a bajas temperaturas se considera un santo grial de la catálisis, "Cargnello dijo." Nuestro objetivo a largo plazo es construir un catalizador que se comporte como metano monooxoygenasa, una enzima natural que utilizan ciertos microbios para metabolizar el metano ".

La mayor parte del metanol actual se produce en un proceso de dos pasos que implica calentar el gas natural a temperaturas de aproximadamente 1, 000 C (1, 800 F). Pero este proceso que consume mucha energía emite una gran cantidad de dióxido de carbono, un potente gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático global.

"Un catalizador artificial que convierte directamente metano en metanol requeriría temperaturas mucho más bajas y emitiría mucho menos CO2, "Riscoe explicó." Idealmente, también podríamos controlar los productos de la reacción diseñando capas de polímero que atrapen el metanol antes de que se queme ".

Enzimas futuras

"En este trabajo, demostramos que podemos preparar materiales híbridos a base de polímeros y nanocristales metálicos que tienen ciertos rasgos típicos de actividad enzimática, "dijo Cargnello, quien también está afiliado al Centro SUNCAT de Stanford para Ciencia de Interfaz y Catálisis. "Lo interesante es que podemos aplicar estos materiales a muchos sistemas, ayudándonos a comprender mejor los detalles del proceso catalítico y acercándonos un paso más a las enzimas artificiales ".