Forskare är närmare att hitta sätt att omvandla koldioxid i atmosfären till industriellt användbara kemikalier tack vare en RIKEN-studie som tittade på hur naturen omvandlar koldioxid till mer komplexa organiska föreningar – en av processerna som ligger till grund för livets ursprung.

Att hitta ett energieffektivt sätt att omvandla koldioxidgas till användbara föreningar är mycket attraktivt för att minska utsläppen av växthusgasen på ett ekonomiskt lönsamt sätt. I naturen, koldioxid omvandlas till kolmonoxid och sedan till mer komplexa organiska föreningar genom reaktioner som med största sannolikhet är kopplade till livets ursprung på jorden.

Dessa reaktioner kan följa olika vägar, men en särskilt effektiv använder enzymet kolmonoxiddehydrogenas (CODH), vilket hjälper till att minska de energikostnader som är förknippade med reaktionens första steg:reduktionen av koldioxid till kolmonoxid. Att förstå den katalytiska mekanismen för CODH-enzymet kan därmed bana väg för miljövänliga tekniska tillämpningar samt ge viktiga insikter om livets ursprung på vår planet.

Varje enzym har ett specifikt aktivt ställe där de relevanta reaktionerna inträffar. Nu, Ryuhei Nakamura från RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) och kollegor har föreslagit att en specifik atom, nickel, är nyckeln till reaktionsmekanismen som äger rum på det aktiva stället för CODH-enzymet.

"CODH är ett sällsynt enzym som använder en nickel-järnsulfidaktiv plats istället för de vanligare järnsulfidklustren, " förklarar Hideshi Ooka, medförfattare till artikeln. "Medan vår grupp och andra redan har rapporterat att tillsats av nickel till järnsulfider förbättrar effektiviteten för koldioxidreduktion, anledningen till att nickel är viktigt var inte känt på grund av bristen på in situ spektroskopiska studier, " säger Ji-Eun Lee, även av CSRS.

Teamet använde tre oorganiska analoger av den aktiva CODH-platsen - en med järn och svavel och två med nickel, järn och svavel – och följde koldioxidreduktionen på de tre analogerna med infraröd spektroskopi samtidigt som den applicerade elektriska potentialen varierades.

Koldioxidreduktion skedde endast i närvaro av nickel, som binder till kol medan järn binder till syre. När potentialen ökade, järnsvavel- och nickelklustret katalyserade den ytterligare reduktionen av kolmonoxid till formylgruppen, som sedan omvandlades till metan och etan.

Genom sitt arbete, Nakamura och medarbetare har gett en förståelse på molekylär nivå bakom nickelförstärkt minskning av koldioxid, ger viktiga insikter för utvecklingen av biomimetiska katalysatorer.

"Våra resultat visar också att koldioxidreduktion är möjlig på ytan av mineraler, antyder att nickel-järnsulfider kan ha bidragit till prebiotisk fixering av koldioxid, säger Nakamura.