Inspirado por um processo natural encontrado em certas bactérias, uma equipe de pesquisadores da Caltech está se aproximando de um novo método para a produção de fertilizantes que algum dia poderá trazer benefícios para os agricultores - especialmente no mundo em desenvolvimento - ao mesmo tempo em que lança luz sobre um mistério biológico.

Os fertilizantes são fontes químicas de nutrientes que, de outra forma, faltam no solo. Mais comumente, fertilizantes fornecem o nitrogênio do elemento, que é essencial para todas as coisas vivas, pois é um bloco de construção fundamental do DNA, RNA, e proteínas. O gás nitrogênio é muito abundante na Terra, constituindo 78 por cento de nossa atmosfera. Contudo, a maioria dos organismos não pode usar nitrogênio em sua forma gasosa.

Para tornar o nitrogênio utilizável, deve ser "consertado" - transformado em uma forma que possa entrar na cadeia alimentar como um nutriente. Existem duas maneiras principais de isso acontecer, um natural e um sintético.

A fixação do nitrogênio ocorre naturalmente devido à ação de micróbios que vivem em nódulos nas raízes das plantas. Esses organismos convertem nitrogênio em amônia por meio de enzimas especializadas chamadas nitrogenases. A amônia que esses organismos fixadores de nitrogênio criam fertiliza as plantas que podem ser consumidas pelos animais, incluindo humanos. Em um artigo de 2008 publicado na revista Nature Geoscience , uma equipe de pesquisadores estimou que o nitrogênio fixado naturalmente fornece alimento para cerca de metade das pessoas que vivem no planeta.

A outra metade do suprimento mundial de alimentos é sustentada por fixação artificial de nitrogênio e o principal método para fazer isso é o processo Haber-Bosch, uma reação em escala industrial desenvolvida na Alemanha há mais de 100 anos. No processo, gases hidrogênio e nitrogênio são combinados em grandes vasos de reação, sob intensa pressão e calor na presença de um catalisador de ferro de estado sólido, para formar amônia.

"Os gases são pressurizados a muitas centenas de atmosferas e aquecidos a várias centenas de graus Celsius, "diz Ben Matson da Caltech, um estudante de graduação no laboratório de Jonas C. Peters, Bren Professor de Química e diretor do Resnick Sustainability Institute. “Com o catalisador de ferro usado no processo industrial, essas condições extremas são necessárias para produzir amônia em taxas adequadas. "

Em um artigo recente publicado em ACS Central Science , Matson, Peters, e seus colegas descrevem uma nova maneira de fixar nitrogênio, inspirada na maneira como os micróbios o fazem.

As nitrogenases consistem em sete átomos de ferro rodeados por um esqueleto de proteína. A estrutura de uma dessas enzimas nitrogenase foi resolvida pela primeira vez por Douglas Rees da Caltech, o professor de química Roscoe Gilkey Dickinson. Os pesquisadores no laboratório de Peters desenvolveram algo semelhante a uma nitrogenase bacteriana, embora muito mais simples - uma estrutura molecular que envolve um único átomo de ferro.

O andaime molecular foi desenvolvido pela primeira vez em 2013 e, embora o projeto inicial tenha se mostrado promissor na fixação de nitrogênio, era instável e ineficiente. Os pesquisadores melhoraram sua eficiência e estabilidade ajustando o banho químico em que ocorre a reação de fixação, e resfriando-o até aproximadamente a temperatura de gelo seco (-78 graus Celsius). Sob estas condições, a reação converte 72 por cento do material de partida em amônia, uma grande melhoria em relação ao método inicial, que converteu apenas 40% do material inicial em amônia e exigiu mais energia para fazê-lo.

Matson, Peters, e colegas dizem que seu trabalho tem potencial para dois benefícios principais:

Facilidade de produção:

Como a tecnologia em desenvolvimento não requer altas temperaturas ou pressões, não há necessidade de infraestrutura industrial em grande escala necessária para o processo Haber-Bosch. Isso significa que algum dia poderá ser possível fixar o nitrogênio em instalações menores localizadas perto de onde as safras são cultivadas.

“Nosso trabalho pode ajudar a inspirar novas tecnologias para a produção de fertilizantes, "diz Trevor del Castillo, um estudante de graduação da Caltech e co-autor do artigo. "Embora seja improvável que esse tipo de tecnologia substitua o processo Haber-Bosch em um futuro próximo, pode ser altamente impactante em lugares que não têm uma rede de energia muito estável, mas têm acesso a energia renovável abundante, como o mundo em desenvolvimento. Definitivamente, há espaço para o desenvolvimento de novas tecnologias aqui, algum tipo de energia solar 'on demand', hidroelétrica, ou processo movido a vento. "

Compreendendo a fixação natural de nitrogênio:

A enzima nitrogenase é complicada e enjoada, não funciona se as condições ambientais não estiverem certas, o que torna difícil estudar. O novo catalisador, por outro lado, é relativamente simples. A equipe acredita que seu catalisador está realizando a fixação de uma forma conceitualmente semelhante à da enzima, e que sua relativa simplicidade tornará possível estudar as reações de fixação no laboratório usando técnicas espectroscópicas modernas.

"Uma coisa fascinante é que realmente não sabemos, em um nível molecular, como a enzima nitrogenase nessas bactérias transforma o nitrogênio em amônia. É uma grande questão sem resposta, "diz o estudante de graduação Matthew Chalkley, também co-autor do artigo.

Peters diz que sua pesquisa sobre este catalisador já lhes deu uma compreensão mais profunda do que está acontecendo durante uma reação de fixação de nitrogênio.

"Uma vantagem do nosso sistema de nitrogenase de ferro sintético é que podemos estudá-lo detalhadamente, "ele diz." De fato, além de melhorar significativamente a eficiência deste novo catalisador para fixação de nitrogênio, fizemos um grande progresso no entendimento, no nível atômico, as etapas críticas de quebra de ligações e fabricação que levam à síntese de amônia a partir do nitrogênio. "

Se os processos deste tipo puderem ser ainda mais refinados e sua eficiência aumentada, Peters acrescenta, eles podem ter aplicações fora da produção de fertilizantes também.

"Se isso puder ser alcançado, a síntese distribuída de amônia movida a energia solar pode se tornar uma realidade. E não apenas como fonte de fertilizante, mas também como alternativa, sustentável, e combustível químico armazenável, " ele diz.