Hace unos 15 años, Simone Raugei comenzó a simular experimentos de química a nivel molecular.

Hoy dia, como parte de un equipo de investigación de primer nivel con la ayuda de la informática avanzada, Raugei y sus colegas están preparados para descifrar un importante código oculto:el intrincado método de la naturaleza para liberar energía a demanda.

"Queremos saber cómo canalizar la energía de forma precisa en el momento adecuado, en el lugar correcto, para realizar la reacción química que queremos, al igual que las enzimas en la naturaleza, "dijo Raugei, un científico computacional que dirige la investigación de biociencias físicas en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL). "Los avances en computación nos han ayudado a lograr un progreso tremendo en los últimos cinco o seis años. Ahora tenemos una masa crítica de capacidades y conocimientos".

La investigación es parte del enfoque de PNNL en reinventar las conversiones químicas, que respalda los objetivos de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., Programa de Ciencias Básicas de la Energía (BES). Uno de los muchos objetivos de los programas es comprender, a nivel atómico, cómo los catalizadores naturales producen reacciones específicas, una y otra vez, En un parpadeo.

La capacidad de imitar estas reacciones naturales podría mejorar profundamente el diseño de nuevos catalizadores sintéticos para producir energía más limpia y eficiente. procesos industriales, y materiales.

Raugei describió el programa BES Physical Biosciences como el esfuerzo visionario que reunió a grupos de investigación individuales y experimentales para colaborar en "grandes preguntas en biocatálisis", específicamente, cómo controlar la materia y la energía.

Las preguntas no son mucho más grandes que eso.

Enzimas:catalizadores de la naturaleza

En PNNL, Raugei colabora estrechamente con sus colegas científicos informáticos Bojana Ginovska y Marcel Baer para examinar el funcionamiento interno de las enzimas. Encontrado dentro de cada célula viva, estos minúsculos multitareas dirigen todo tipo de reacciones para diferentes funciones.

A través de circuitos de retroalimentación entre la teoría, simulaciones por computadora, y experimentación entre PNNL y colaboradores universitarios, los científicos han logrado un progreso constante en el descubrimiento de las maquinaciones moleculares de varios tipos de enzimas. Están particularmente interesados ​​en la nitrogenasa, una enzima que se encuentra en los microorganismos que viven en el suelo, que tiene una capacidad única para romper el triple enlace del nitrógeno, uno de los enlaces más fuertes de la naturaleza. Esa fractura molecular que ocurre en el núcleo activo enterrado de la nitrogenasa, produce amoniaco.

En el mundo de la química comercial, el amoníaco se utiliza para fabricar muchos productos valiosos, como fertilizantes. Pero producir amoníaco a escala industrial requiere mucha energía. Gran parte de esa energía se gasta tratando de romper los resistentes triples enlaces del nitrógeno. Descubrir cómo la naturaleza lo hace de manera tan eficiente es clave para diseñar nuevos catalizadores sintéticos que mejoren el proceso de producción de amoníaco y otros productos comerciales.

Nitrogenasa:descifrando el código

Hace unos dos años, el equipo de científicos universitarios y del PNNL aisló la elusiva estructura molecular dentro de la nitrogenasa, llamada intermedio de Janus, que representa el "punto de no retorno" en la producción de amoníaco. Los investigadores encontraron que dos hidrógenos cargados negativamente, llamados hidruros, forman puentes con dos iones de hierro. Esos puentes permiten que cuatro electrones adicionales se estacionen dentro del grupo central de átomos.

La última investigación del equipo confirmó la mezcla de electrones en el entorno de las proteínas, empaquetando suficiente energía para romper los enlaces de nitrógeno y formar amoníaco. Se utilizaron potentes técnicas de espectroscopia para sondear las interacciones magnéticas entre electrones en el núcleo metálico de la enzima. Luego, esas interacciones se correlacionaron con simulaciones cuánticas de la transformación de la enzima para producir la estructura molecular del intermedio de Janus.

"La energía de la entrega de electrones es asombrosa, ", dijo Raugei." Cuando piensas en agregar electrones a un pequeño grupo de átomos, un electrón es difícil, dos es más difícil, tres es realmente difícil, y agregar el cuarto generalmente se considera imposible. Pero descubrimos que así es como sucede ".

Lance Seefeldt, un profesor de la Universidad Estatal de Utah que tiene un cargo conjunto en PNNL, lidera el trabajo experimental para la investigación de la nitrogenasa del equipo. Otro colaborador clave, y el "cerebro detrás de las mediciones de espectroscopia" según Raugei, es Brian Hoffman de la Universidad Northwestern. Los hallazgos más recientes del equipo sobre la nitrogenasa se publicaron en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense en diciembre de 2020.

Colaboraciones de química cuántica

Ginovska ayuda a dirigir las actividades diarias de los investigadores postdoctorales del grupo que trabajan en el proyecto. Ella le da crédito a Raugei por establecer y mantener conexiones entre la comunidad científica para impulsar el progreso en la investigación de enzimas.

"Como centro teórico, colaboramos con universidades y otros laboratorios nacionales para los aspectos experimentales de la investigación, ", dijo Ginovska." Comenzamos con la nitrogenasa y creció a partir de ahí. Ahora estamos trabajando en varios sistemas enzimáticos. Todo ese trabajo se alimenta de la misma base de conocimientos ".

Karl Mueller, director de ciencia y tecnología de la Dirección de Ciencias Físicas y Computacionales de la PNNL, dijo que la nitrogenasa es un excelente ejemplo de los desafiantes problemas que se pueden abordar en un laboratorio nacional a través de la colaboración entre científicos experimentales y computacionales, incluidos los investigadores universitarios. Mientras los científicos se preparan para mudarse al nuevo Centro de Ciencias de la Energía de PNNL en el otoño de 2021, Raugei confía en que las capacidades mejoradas y el entorno colaborativo ayudarán al equipo a descifrar pronto el código restante de cómo la nitrogenasa forma el amoníaco.

"Sabemos que tiene que ver con la adición de átomos de hidrógeno, ¿pero cómo? Hay una multitud de caminos posibles y eso es lo que estamos analizando ahora. ", dijo Raugei." Esta es definitivamente una aplicación en la que los avances en la computación cuántica acelerarán nuestra investigación y elevarán nuestra comprensión de los sistemas complejos ".

A medida que avanza el ritmo del progreso científico, nitrogenasa es solo un ejemplo de cómo la promesa de la química cuántica, computación cuántica, y el Centro de Ciencias de la Energía de PNNL podría ayudar a responder la próxima gran pregunta en catálisis.