Vattenmolekyler bundna närmast mineralet har en stel, isliknande struktur och kan inte flytta in i arrangemang som möjliggör kemiska reaktioner. Vattenmolekyler längre från mineralytan har en mindre begränsad, vätskeliknande struktur och kan organisera sig för att främja reaktivitet. Kredit:Environmental Molecular Sciences Laboratory
Ett team av forskare under ledning av PNNL-beräkningsforskaren Simone Raugei har avslöjat nya insikter om hur detta komplexa enzym gör sitt jobb, finner att den till synes slösaktiga bildningen av väte har ett väsentligt syfte. Deras papper, "Kritisk beräkningsanalys belyser den reduktiva elimineringsmekanismen som aktiverar nitrogenas för N 2 minskning, " publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences i november 2018. Raugeis medförfattare är Lance Seefeldt, som har en gemensam utnämning vid PNNL och Utah State University, och Brian Hoffman från Northwestern University.
Nitrogenas kan omvandla kväve till ammoniak vid rumstemperatur och atmosfärstryck. Industri, å andra sidan, förlitar sig på Haber-Bosch-processen, en hundraårig teknik med hög temperatur och tryck. Fossila bränslen ger vanligtvis energin för denna process, Det är därför enbart industriell ammoniakproduktion står för mer än 1 % av världens totala energirelaterade koldioxidutsläpp. Att förstå vad som ger nitrogenas dess bindningsbrytande muskel kan leda till nya, stimulerande idéer för design av syntetiska katalysatorer för att tillverka ammoniak.
För varje kvävemolekyl som omvandlas till ammoniak, nitrogenas gör minst en vätemolekyl (H 2 ), som är "ett av nitrogenasets mest förbryllande mysterier, " sa Raugei. "Istället för att bara producera ammoniak, du producerar också denna biprodukt. Varför är det nödvändigt?"
Forskarna fann att detta fenomen faktiskt hjälper nitrogenas att hantera kvävets starka bindningar. "Naturen hittade en lösning genom att koppla produktionen av väte, som frigör energi, med kvävespjälkning, som kräver energi, "Sa Raugei. "Det är total balans."
För att komma fram till resultatet, teamet använde en blandning av teoretiska och experimentella metoder. Raugei genomförde kvantkemiska beräkningar på modeller av kärnan i enzymet, förlitar sig på vägledning från Seefeldt och Hoffman, som är experter på nitrogenas biokemi. Deras experimentella data hjälpte till att informera beräkningarna, och vice versa.
Forskarna fokuserade på den katalytiska nitrogenaskärnan, består av järn, molybden och svavel (FeMo-co). Under den katalytiska händelsen, när FeMo-co har förvärvat ett kritiskt antal elektroner och protoner (H+) i form av två överbryggande hydrider (Fe-H-Fe) i sitt perifera bälte, generation av en H 2 bunden till FeMo-co och dess förskjutning av N 2 ger energi att ge och ta för att sätta igång kvävereduktion, fann forskarna.
"Vi var mycket väl positionerade för att göra detta genombrott eftersom vi kombinerade experimentell information om nitrogenas med beräkningsinformation, " sa Raugei. "Det var nyckeln."
Forskarna försöker utöka forskningen genom att undersöka de fina detaljerna i elektron- och protonackumulering på det aktiva stället för nitrogenas och exakt hur N 2 bindningen bryts för att bilda ammoniak.
