Искусственные ферменты будущего

Как синтезировать важные химические вещества и топливо в промышленных масштабах? Ученые со всего мира потратили не один десяток лет, пытаясь решить эту задачу. И кажется, мы стали ближе к тому, чтобы уменьшить нашу зависимость от природных источников топлива. И все благодаря ферментам – молекулам, ускоряющим химические реакции. Именно они вдохновили ученых из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC на разработку синтетического катализатора, который действует по принципу ферментов в живых организмах и позволяет вырабатывать необходимые соединения. «Мы черпали вдохновение в природе, – рассказал Маттео Каргнелло, доцент кафедры химической инженерии в Стэнфорде, один из авторов исследования. – Мы хотели имитировать функцию природных ферментов в лаборатории, используя искусственные катализаторы для производства полезных соединений».

Метанол может стать более дешевой и чистой альтернативой бензиновому топливу

Для эксперимента исследователи разработали катализатор из нанокристаллов палладия. Они были заключены между слоями пористых полимеров, созданных специально для усиления каталитических свойств. Исследователи подчеркивают, что большинство встречающихся в природе белковых ферментов также содержат в своем ядре следы металлов, таких, например, как цинк и железо.

«Мы сосредоточились на стандартной химической реакции преобразования монооксида углерода CO (чрезвычайно токсичного газа) и кислорода в диоксид углерода CO₂, – сказал аспирант Эндрю Риско, ведущий автор исследования. – Мы хотели понять, будет ли искусственный катализатор функционировать как фермент, ускоряя реакцию и контролируя способ производства CO₂».

Ученые поместили катализатор в реактор, куда непрерывно подавались монооксид углерода и газообразный кислород. При нагревании до 150 °C катализатор начал генерировать диоксид углерода. Параллельно участники эксперимента изучали реакцию при помощи рентгеновского излучения. Рентген показал, что нанокристаллы палладия внутри катализатора непрерывно реагировали с кислородом и монооксидом углерода, образовывая углекислый газ. При этом некоторые из образовавшихся молекул CO₂ застревали во внешних слоях полимера. И как только полимерные слои оказались заполнены CO₂, реакция прекратилась. По словам ученых, точно такой же механизм можно наблюдать в работе ферментов: когда фермент производит избыток продукта, он перестает работать. Контролируя химический состав полимерных слоев, можно регулировать производство диоксида углерода.

После успешного эксперимента с CO₂ исследователи обратили внимание на превращение метана, основного ингредиента природного газа, в метанол – вещество, которое активно применяется в химической промышленности, лакокрасочной отрасли, при производстве пластиков, а также в качестве топлива. Метанол может стать более дешевой и чистой альтернативой бензиновому топливу, подчеркивают ученые.

«Превращение метана в метанол при низких температурах – святой Грааль катализа, – объясняет Маттео Карг­нелло. – Наша цель – создать катализаторы, подобные метанмонооксигеназе, природному ферменту, который некоторые микробы используют для образования метана».

Большая часть метанола сегодня производится в два этапа, которые включают нагрев природного газа до 1000 °С. Этот процесс, во-первых, требует много энергии, а во-вторых, выделяет большое количество углекислого газа, который провоцирует парниковый эффект. Процесс превращения метана в метанол с использованием искусственного катализатора потребовал бы меньше энергии за счет гораздо более низких температур и выделял бы намного меньше CO₂.