Alla levande organismer är beroende av enzymer - molekyler som påskyndar biokemiska reaktioner som är väsentliga för livet.

Forskare har spenderat årtionden på att skapa konstgjorda enzymer som kan ta bort viktiga kemikalier och bränslen i industriell skala med prestanda som motsvarar deras naturliga motsvarigheter.

Forskare från Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory har utvecklat en syntetisk katalysator som producerar kemikalier ungefär som enzymer gör i levande organismer. I en studie publicerad i 5 augusti -numret av Naturkatalys , forskarna säger att deras upptäckt kan leda till industriella katalysatorer som kan producera metanol med mindre energi och till en lägre kostnad. Metanol har en mängd olika tillämpningar, och det finns en växande efterfrågan på dess användning som bränsle med lägre utsläpp än konventionell bensin.

"Vi tog vår inspiration från naturen, "sa seniorförfattaren Matteo Cargnello, en biträdande professor i kemiteknik vid Stanford. "Vi ville efterlikna funktionen av naturliga enzymer i laboratoriet med hjälp av konstgjorda katalysatorer för att göra användbara föreningar."

För experimentet, forskarna utformade en katalysator gjord av nanokristaller av palladium, en ädelmetall, inbäddade i lager av porösa polymerer skräddarsydda med speciella katalytiska egenskaper. De flesta proteinenzymer som finns i naturen har också spårmetaller, som zink och järn, inbäddade i deras kärna.

Forskarna kunde observera spårpalladium i sina katalysatorer med elektronmikroskopiska bilder av medförfattaren Andrew Herzing från National Institute of Standards and Technology.

Modellreaktion

"Vi fokuserade på en modellkemisk reaktion:att omvandla giftig kolmonoxid och syre till koldioxid (CO2), "säger doktoranden Andrew Riscoe, huvudförfattare till studien. "Vårt mål var att se om den artificiella katalysatorn skulle fungera som ett enzym genom att påskynda reaktionen och kontrollera hur CO2 produceras."

Att få reda på, Riscoe placerade katalysatorn i ett reaktorrör med ett kontinuerligt flöde av kolmonoxid och syrgas. När röret värmdes till cirka 150 grader Celsius (302 grader Fahrenheit), katalysatorn började generera den önskade produkten, koldioxid.

Högenergiröntgenstrålar från Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) vid SLAC avslöjade att katalysatorn hade egenskaper som liknar dem som ses i enzymer:Palladium-nanokristallerna inuti katalysatorn reagerade kontinuerligt med syre och kolmonoxid för att producera koldioxid. Och några av de nybildade koldioxidmolekylerna fastnade i de yttre polymerlagren när de rymde från nanokristallerna.

"Röntgenstrålarna visade att när polymerskikten fyllts med CO2, reaktionen upphörde, sa Cargnello, ett dotterbolag till Stanford Natural Gas Initiative (NGI). "Det här är viktigt, eftersom det är samma strategi som används av enzymer. När ett enzym producerar för mycket av en produkt, det slutar fungera, eftersom produkten inte längre behövs. Vi visade att vi också kan reglera produktionen av CO2 genom att kontrollera den kemiska sammansättningen av polymerskikten. Detta tillvägagångssätt kan påverka många katalysområden. "

Röntgenbilden utfördes av studiens medförfattare Alexey Boubnov, en postdoktor i Stanford, och SLAC -forskarna Simon Bare och Adam Hoffman.

Tillverkning av metanol

Med framgången med koldioxidförsöket, Cargnello och hans kollegor har riktat sin uppmärksamhet mot att omvandla metan, huvudingrediensen i naturgas, i metanol, en kemikalie som ofta används i textilier, plast och färg. Metanol har också pratats som en billigare, renare alternativ till bensin.

"Möjligheten att omvandla metan till metanol vid låga temperaturer anses vara en helig katalysgral, "Cargnello sa." Vårt långsiktiga mål är att bygga en katalysator som beter sig som metanmonooxoygenas, ett naturligt enzym som vissa mikrober använder för att metabolisera metan. "

Mest metanol idag produceras i en tvåstegsprocess som innebär att naturgas värms till temperaturer på cirka 1, 000 C (1, 800 F). Men denna energikrävande process avger en stor mängd koldioxid, en potent växthusgas som bidrar till de globala klimatförändringarna.

"En konstgjord katalysator som direkt omvandlar metan till metanol skulle kräva mycket lägre temperaturer och släppa ut mycket mindre CO2, "Riscoe förklarade." Helst, Vi kan också kontrollera produkterna från reaktionen genom att designa polymerlager som fångar metanolen innan den brinner. "

Framtida enzymer

"I det här arbetet, vi visade att vi kan förbereda hybridmaterial av polymerer och metalliska nanokristaller som har vissa egenskaper som är typiska för enzymatisk aktivitet, sa Cargnello, som också är ansluten till Stanfords SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis. "Den spännande delen är att vi kan tillämpa dessa material på massor av system, hjälpa oss att bättre förstå detaljerna i den katalytiska processen och ta oss ett steg närmare artificiella enzymer. "