Victor Mougel es un absoluto amante de la naturaleza, no sólo porque creció en una granja, pasa mucho tiempo al aire libre con su mujer y sus hijos y, a veces, sube y baja montañas suizas en su bicicleta de carretera. También cree que ningún químico puede compararse con la naturaleza.
"La naturaleza es capaz de llevar a cabo reacciones extremadamente desafiantes de la manera más eficiente, es una increíble fuente de inspiración", se entusiasma el profesor asistente. Su grupo en ETH Zurich se inspira en sistemas naturales en todas las escalas:replicando formas macroscópicas de organismos vivos pero también imitando sistemas naturales a nivel micro y molecular, centrándose específicamente en las enzimas. Estos catalizadores naturales altamente eficientes impulsan una multitud de reacciones en la naturaleza.
La catálisis es un proceso en el que determinadas moléculas (catalizadores) se utilizan para acelerar reacciones y así transformar sustancias.
"A diferencia de la naturaleza, los químicos suelen utilizar metales raros como catalizadores, una fuente insostenible para procesos a escala global", explica Mougel. La mayoría de los componentes básicos para la producción química se derivan actualmente de fuentes fósiles, lo que presenta desafíos ambientales, incluida la problemática acumulación de dióxido de carbono y nitratos. La electroquímica es una opción atractiva para reconvertir de forma sostenible estas moléculas problemáticas.
"Un elemento clave de este enfoque es el diseño de nuevos electrocatalizadores que permitan esta transformación con alta actividad y selectividad, y para la sostenibilidad, utilice sólo elementos abundantes en la Tierra", afirma.
En este caso, el ingenio de la naturaleza muestra el camino:"Durante más de tres mil millones de años, la naturaleza ha estado desarrollando catalizadores enzimáticos para utilizar eficientemente moléculas abundantes como el N2. y CO2 , compuestos esenciales para la construcción de moléculas y materiales complejos", afirma Mougel con entusiasmo. "Podemos explotar esto y desarrollar catalizadores bioinspirados que puedan ayudar a resolver nuestros problemas más apremiantes".
Creando hojas artificiales y CO2 bioinspirado reducción
Para ello, Mougel y su grupo siguen dos enfoques:primero, intentan replicar la estructura de los sitios activos de las enzimas; en segundo lugar, imitan funciones que se encuentran en las enzimas, esforzándose por reproducir estas funciones sin limitarse a las estructuras que se encuentran en la naturaleza.
El equipo de Mougel pudo producir, por ejemplo, una "hoja" artificial como parte de una colaboración de investigación.
"El dióxido de carbono, uno de nuestros problemas medioambientales más acuciantes, es una molécula estable y oxidada", señala Mougel. "Una solución podría ser diseñar catalizadores inspirados en enzimas que reduzcan eficientemente el CO2 —transferir electrones a la molécula—y así convertirla en productos útiles. La gente suele olvidar que el CO2 y los óxidos nítricos no son sólo productos de desecho y una amenaza para el clima. Son principalmente los componentes básicos de la vida y un importante material base a partir del cual se pueden producir sustancias químicas útiles."
Ésa era la idea detrás de la hoja artificial, explica:"En lugar de convertir el dióxido de carbono y el agua en oxígeno y azúcar como lo hacen las hojas naturales, nuestro sistema produce hidrocarburos utilizando la luz solar como única fuente de energía".
Además, el grupo desarrolló catalizadores eficientes para la reducción de CO2 al ácido fórmico, un importante compuesto industrial. Para ello, el grupo imitó el sitio activo de la enzima monóxido de carbono deshidrogenasa (CODH), que contiene dos metales.
Recientemente, el grupo se centró en una característica clave de los sistemas enzimáticos:las transferencias de electrones. En la naturaleza, las transferencias de electrones suelen estar mediadas por grupos de hierro y azufre. Estos grupos son esenciales para la mayoría de los organismos vivos y participan en procesos como la fotosíntesis, la producción de energía mitocondrial y la replicación del ADN.
"Actúan como cables eléctricos naturales y transfieren electrones a través de las estructuras de las proteínas, al mismo tiempo que participan en la transferencia de protones y en la activación de moléculas pequeñas", señala Mougel.
Las agrupaciones sintéticas de hierro y azufre podrían aprovecharse para diseñar mejores sistemas electrocatalíticos, explica:"Podríamos demostrar, por ejemplo, que si combinamos catalizadores conocidos para la reducción de dióxido de carbono con agrupaciones de hierro y azufre, no sólo podríamos mejorar considerablemente su actividad catalítica, pero también cambia completamente su selectividad."
El grupo demostró que los grupos están promoviendo la llamada transferencia concertada de protones y electrones (CPET), donde un protón y un electrón se almacenan y transfieren simultáneamente desde el grupo a un sustrato. Mougel y su grupo consiguieron por primera vez producir de forma controlada un hidruro metálico y utilizarlo para la conversión de CO2 al ácido fórmico. Esto constituyó la primera demostración experimental de ese importante concepto que se espera que tenga amplias implicaciones para la electrocatálisis, ya que los hidruros metálicos son intermediarios centrales en muchas transformaciones catalíticas.
Estos ejemplos muestran que comprender los sistemas naturales es clave. Por eso, en el laboratorio de Mougel, la aplicación y la investigación básica van siempre de la mano. El grupo también ha investigado en detalle las propiedades redox fundamentales de los grupos de hierro y azufre.
"Lo interesante es lo siguiente:si quieres convertir CO2 Para formar compuestos industrialmente útiles, como hidrocarburos de cadena larga, etileno o etano, se necesitan hasta 14 reducciones de electrones. Sin embargo, todo el CO2 biológico Las enzimas reductasa están restringidas a dos procesos electrónicos", explica Mougel, "pero el complejo enzimático de la nitrogenasa tiene una proteína de hierro con un grupo de hierro y azufre que, en principio, puede evitar esta limitación, aunque esto no ocurre en los sistemas biológicos. Sin embargo, hasta ahora faltaba un modelo artificial para estudiar esto con más detalle."
Mougel y su grupo lograron por primera vez aislar y estabilizar estos hierro-azufre extremadamente reducidos y, finalmente, sintetizar y caracterizar una serie completa de los llamados grupos redox cubanos de hierro-azufre en todos los estados de oxidación. Esto permitió un análisis exhaustivo de las diferentes propiedades estructurales y electrónicas.
En el siguiente paso, el grupo pudo demostrar que incluso pequeños cambios en el entorno de estos grupos pueden tener un impacto importante en su dinámica y potencial redox. Esto permite la generación de potenciales reductores extremos (lo que facilita la oxidación y la reducción) in situ y bajo demanda (concepto de activación).
Por sus investigaciones, en particular por sus contribuciones en el campo de los cúmulos de hierro y azufre, Victor Mougel recibirá el Premio Ruzicka 2023, un honor que significa mucho para él, pero que, como subraya, acepta sólo como representante de muchas mentes.
"Me gustaría agradecer a mi equipo porque, en última instancia, ninguno de estos éxitos de investigación habría sido posible sin su compromiso. Las personas de mi grupo son la fuerza impulsora detrás de esta investigación y una motivación importante para mí para seguir implementando proyectos juntos. "
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por ETH Zurich
