För cirka 15 år sedan, Simone Raugei började simulera kemiexperiment på molekylär nivå.

I dag, som en del av ett förstklassigt forskarteam med hjälp av avancerad datoranvändning, Raugei och hans kollegor är redo att knäcka en viktig dold kod:naturens intrikata metod för att frigöra energi på begäran.

"Vi vill veta hur man kan kanalisera energi exakt vid rätt tidpunkt, på rätt plats, att utföra den kemiska reaktion vi vill ha – precis som enzymer gör i naturen, sade Raugei, en beräkningsforskare som leder den fysiska biovetenskapliga forskningen vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). "Framsteg inom datoranvändning har hjälpt oss att göra enorma framsteg under de senaste fem eller sex åren. Vi har nu en kritisk massa av kapacitet och kunskap."

Forskningen är en del av PNNL:s fokus på att återuppfinna kemiska omvandlingar, som stöder målen för U.S. Department of Energy Office of Science, Grundläggande energivetenskap (BES) program. Ett av programmens många mål är att förstå, på atomnivå, hur naturliga katalysatorer tar fram specifika reaktioner, om och om, på ett ögonblick.

Förmågan att efterlikna dessa naturliga reaktioner kan avsevärt förbättra utformningen av nya syntetiska katalysatorer för att producera renare och effektivare energi, industriella processer, och material.

Raugei beskrev BES Physical Biosciences-programmet som den visionära ansträngning som förde samman enskilda forskargrupper och experimentalister för att samarbeta kring "stora frågor inom biokatalys" - specifikt, hur man kontrollerar materia och energi.

Frågorna blir inte mycket större än så.

Enzymer:naturens katalysatorer

På PNNL, Raugei samarbetar nära med andra beräkningsforskare Bojana Ginovska och Marcel Baer för att undersöka enzymers inre funktion. Finns i varje levande cell, dessa små multi-taskers styr alla möjliga reaktioner för olika funktioner.

Genom återkopplingsslingor mellan teori, datorsimuleringar, och experiment bland PNNL och universitetskollaboratörer, forskarna har gjort stadiga framsteg när det gäller att avslöja de molekylära bearbetningarna av flera typer av enzymer. De är särskilt intresserade av nitrogenas, ett enzym som finns i jordlevande mikroorganismer, som har en unik förmåga att bryta isär kvävets trippelbindning - en av de starkaste bindningarna i naturen. Den där molekylära frakturen, som förekommer i den begravda aktiva kärnan av nitrogenas, producerar ammoniak.

I en värld av kommersiell kemi, ammoniak används för att göra många värdefulla produkter, som gödningsmedel. Men att producera ammoniak i industriell skala kräver mycket energi. Mycket av den energin går åt till att försöka bryta kvävets stabila trippelbindningar. Att ta reda på hur naturen gör det så effektivt är nyckeln till att designa nya syntetiska katalysatorer som förbättrar produktionsprocessen för ammoniak och andra kommersiella produkter.

Nitrogenas:knäcker koden

För ungefär två år sedan, teamet av PNNL och universitetsforskare isolerade den svårfångade molekylstrukturen inuti nitrogenas – kallad Janus-mellanprodukten – som representerar "point of no return" i produktionen av ammoniak. Forskarna fann att två negativt laddade väten, kallas hydrider, bilda broar med två järnjoner. Dessa broar tillåter fyra extra elektroner att parkera inuti kärnklustret av atomer.

Teamets senaste forskning bekräftade blandningen av elektroner i proteinmiljön, packar in tillräckligt med energi för att bryta isär kvävebindningarna och bilda ammoniak. Kraftfulla spektroskopitekniker användes för att undersöka de magnetiska interaktionerna mellan elektroner i enzymets metalliska kärna. Dessa interaktioner korrelerades sedan med kvantsimuleringar av enzymets transformation för att ge den molekylära strukturen hos Janus-mellanprodukten.

"Energetiken i elektronleveransen är fantastisk, " sa Raugei. "När du tänker på att lägga till elektroner i ett litet kluster av atomer, en elektron är svårt, två är svårare, tre är riktigt svårt, och att lägga till den fjärde anses i allmänhet vara omöjligt. Men vi upptäckte att det är så det händer."

Lance Seefeldt, en professor vid Utah State University som har en gemensam anställning vid PNNL, leder det experimentella arbetet för teamets nitrogenasforskning. En annan nyckelsamarbetspartner, och "hjärnan bakom spektroskopimätningarna" enligt Raugei, är Brian Hoffman från Northwestern University. Teamets senaste fynd om nitrogenas publicerades i Journal of the American Chemical Society i december 2020.

Samarbeten inom kvantkemi

Ginovska hjälper till att styra den dagliga verksamheten för gruppens postdoktorer som arbetar med projektet. Hon krediterar Raugei med att etablera och upprätthålla kopplingar mellan forskarsamhället för att stimulera framsteg inom enzymforskning.

"Som ett teoretiskt nav, vi samarbetar med universitet och andra nationella laboratorier för de experimentella aspekterna av forskningen, ", sa Ginovska. "Vi började med nitrogenas och det växte därifrån. Vi arbetar nu med flera enzymsystem. Allt detta arbete matas in i samma kunskapsbas."

Karl Mueller, chief science and technology officer för PNNL:s direktorat för fysikaliska och beräkningsvetenskaper, nämnda nitrogenas är ett utmärkt exempel på de utmanande problem som kan hanteras på ett nationellt laboratorium genom samarbete mellan experimentella och beräkningsforskare, inklusive universitetsforskare. När forskarna förbereder sig för att flytta in i PNNL:s nya energivetenskapscenter hösten 2021, Raugei är övertygad om att de förbättrade kapaciteterna och samarbetsmiljön kommer att hjälpa teamet att snart knäcka den återstående koden för hur nitrogenas bildar ammoniak.

"Vi vet att det har att göra med att lägga till väteatomer, men hur? Det finns en mängd möjliga vägar och det är vad vi tittar på nu, ", sa Raugei. "Detta är definitivt en applikation där genombrott inom kvantberäkning kommer att påskynda vår forskning och höja vår förståelse för komplexa system."

När takten i de vetenskapliga framstegen går framåt, nitrogenas är bara ett exempel på hur löftet om kvantkemi, kvantberäkning, och PNNL:s energivetenskapscenter kan hjälpa till att svara på nästa stora fråga inom katalys.