Inspirerad av en naturlig process som finns i vissa bakterier, ett team av Caltech-forskare närmar sig en ny metod för att producera gödningsmedel som en dag skulle kunna ge fördelar för bönder – särskilt i utvecklingsvärlden – samtidigt som de kastar ljus över ett biologiskt mysterium.

Gödselmedel är kemiska källor till näringsämnen som annars saknas i jorden. Vanligast, gödningsmedel tillhandahåller grundämnet kväve, som är avgörande för allt levande, eftersom det är en grundläggande byggsten i DNA, RNA, och proteiner. Kvävgas är mycket rikligt på jorden, utgör 78 procent av vår atmosfär. Dock, de flesta organismer kan inte använda kväve i sin gasform.

För att göra kväve användbart, det måste "fixas" — förvandlas till en form som kan komma in i näringskedjan som ett näringsämne. Det finns två primära sätt som kan hända, en naturlig och en syntetisk.

Kvävefixering sker naturligt på grund av verkan av mikrober som lever i knölar på växtrötter. Dessa organismer omvandlar kväve till ammoniak genom specialiserade enzymer som kallas nitrogenaser. Ammoniaken som dessa kvävefixerande organismer skapar gödslar växter som sedan kan konsumeras av djur, inklusive människor. I en tidning från 2008 i tidskriften Naturgeovetenskap , ett team av forskare uppskattade att naturligt fixerat kväve ger mat åt ungefär hälften av de människor som lever på planeten.

Den andra hälften av världens livsmedelsförsörjning upprätthålls genom artificiell kvävefixering och den primära metoden för att göra detta är Haber-Bosch-processen, en reaktion i industriell skala som utvecklades i Tyskland för över 100 år sedan. I processen, väte- och kvävgaser kombineras i stora reaktionskärl, under intensivt tryck och värme i närvaro av en järnkatalysator i fast tillstånd, för att bilda ammoniak.

"Gaserna trycksätts upp till många hundra atmosfärer och värms upp till flera hundra grader Celsius, " säger Caltechs Ben Matson, en doktorand i Jonas C. Peters labb, Bren professor i kemi och chef för Resnick Sustainability Institute. "Med järnkatalysatorn som används i den industriella processen, dessa extrema förhållanden krävs för att producera ammoniak i lämpliga hastigheter."

I en nyligen publicerad tidning i ACS Central Science , Matson, Peters, och deras kollegor beskriver ett nytt sätt att fixera kväve som är inspirerat av hur mikrober gör det.

Nitrogenaser består av sju järnatomer omgivna av ett proteinskelett. Strukturen hos ett av dessa nitrogenasenzymer löstes först av Caltechs Douglas Rees, Roscoe Gilkey Dickinson professor i kemi. Forskarna i Peters labb har utvecklat något som liknar ett bakteriellt nitrogenas, om än mycket enklare – en molekylär byggnadsställning som omger en enda järnatom.

Den molekylära ställningen utvecklades först 2013 och, även om den ursprungliga designen visade lovande när det gäller fixering av kväve, den var instabil och ineffektiv. Forskarna har förbättrat dess effektivitet och stabilitet genom att justera det kemiska badet där fixeringsreaktionen sker, och genom att kyla den till ungefär temperaturen för torris (-78 grader Celsius). Under dessa omständigheter, reaktionen omvandlar 72 procent av utgångsmaterialet till ammoniak, en stor förbättring jämfört med den ursprungliga metoden, som bara omvandlade 40 procent av utgångsmaterialet till ammoniak och krävde mer energiinsats för att göra det.

Matson, Peters, och kollegor säger att deras arbete har potential för två stora fördelar:

Enkel produktion:

Eftersom tekniken som utvecklas inte kräver höga temperaturer eller tryck, det finns inget behov av den storskaliga industriella infrastruktur som krävs för Haber-Bosch-processen. Det betyder att det en dag kan vara möjligt att fixera kväve i mindre anläggningar som ligger närmare där grödor odlas.

"Vårt arbete kan hjälpa till att inspirera till ny teknik för gödselproduktion, säger Trevor del Castillo, en Caltech doktorand och medförfattare till tidningen. "Medan den här typen av teknik sannolikt inte kommer att förskjuta Haber-Bosch-processen inom överskådlig framtid, det kan vara mycket påverkande på platser som inte har ett särskilt stabilt energinät, men har tillgång till rikligt med förnybar energi, såsom utvecklingsländerna. Det finns definitivt utrymme för ny teknikutveckling här, någon sorts "on demand" solenergi-, vattenkraft-, eller vinddriven process."

Förstå naturlig kvävefixering:

Nitrogenasenzymet är komplicerat och petigt, inte fungerar om omgivningsförhållandena inte är rätt, vilket gör det svårt att studera. Den nya katalysatorn, å andra sidan, är relativt enkelt. Teamet tror att deras katalysator utför fixering på ett konceptuellt liknande sätt som enzymet, och att dess relativa enkelhet kommer att göra det möjligt att studera fixeringsreaktioner i labbet med hjälp av moderna spektroskopiska tekniker.

"En fascinerande sak är att vi verkligen inte vet, på molekylär nivå, hur nitrogenasenzymet i dessa bakterier faktiskt omvandlar kväve till ammoniak. Det är en stor obesvarad fråga, säger doktoranden Matthew Chalkley, också medförfattare på tidningen.

Peters säger att deras forskning om denna katalysator redan har gett dem en djupare förståelse för vad som händer under en kvävefixerande reaktion.

"En fördel med vårt syntetiska järnnitrogenassystem är att vi kan studera det i detalj, " säger han. "Visst, förutom att avsevärt förbättra effektiviteten hos denna nya katalysator för kvävefixering, vi har gjort stora framsteg i förståelsen, på atomnivå, de kritiska bindningsbrytande och skapande stegen som leder till ammoniaksyntes från kväve."

Om processer av denna typ kan förfinas ytterligare och deras effektivitet kan öka, Peters tillägger, de kan ha tillämpningar utanför konstgödselproduktionen också.

"Om detta kan uppnås, distribuerad solcellsdriven ammoniaksyntes kan bli verklighet. Och inte bara som en gödselkälla, men också som ett alternativ, hållbar, och lagringsbart kemiskt bränsle, " han säger.