Amônia, o principal ingrediente em fertilizantes à base de nitrogênio, tem ajudado a alimentar o mundo desde a Primeira Guerra Mundial. Mas produzir amônia em escala industrial consome muita energia, e é responsável por mais de um por cento das emissões mundiais de carbono relacionadas com a energia.

Na natureza, a enzima nitrogenase produz amônia de uma forma muito mais benigna do ponto de vista ambiental. Os pesquisadores estão procurando entender melhor como a nitrogenase atua como um catalisador para quebrar o nitrogênio. O que eles aprendem pode levar a novos designs bioinspirados que melhoram a forma como os fertilizantes são feitos.

Uma descoberta recente de uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) e de várias universidades cruza um enorme obstáculo em direção a esse objetivo. Eles identificaram, pela primeira vez, a elusiva estrutura molecular dentro da nitrogenase que quebra o nitrogênio para produzir amônia. Esta estrutura, referido como o intermediário de Janus, representa o ponto de viragem no caminho da nitrogenase em direção à amônia.

A pesquisa da equipe é descrita em um artigo de pesquisa publicado no Jornal da American Chemical Society .

Simone Raugei, um químico teórico e um dos autores correspondentes do estudo, disse que a estrutura do intermediário Janus - particularmente as relações espaciais de seus elétrons e prótons - é importante porque esclarece como a nitrogenase pode armazenar quatro elétrons em um aglomerado muito pequeno de átomos para tornar possível a quebra da forte ligação química do gás nitrogênio. Os elétrons naturalmente querem se repelir, então girá-los em um espaço confinado é complicado.

"Compreender como estacionar quatro elétrons adicionais em uma região já muito rica em elétrons é um verdadeiro desafio para os químicos sintéticos, "disse Raugei.

Para resolver a estrutura do intermediário Janus, a equipe de pesquisa usou simulações de computador juntamente com uma técnica analítica de ressonância magnética para explicar a estrutura molecular e eletrônica dos elétrons desemparelhados. O resultado foi simples, modelo analítico ainda robusto, capaz de reproduzir os elementos-chave da interação entre os núcleos e a nuvem de elétrons no intermediário Janus. Este modelo foi capaz de destacar de forma inequívoca uma estrutura entre todos os possíveis candidatos estruturais capazes de reproduzir os dados experimentais. Nesse modelo, dois hidrogênios carregados negativamente (chamados hidretos) formam pontes com dois íons de ferro para acomodar os elétrons extras.

Esses resultados representam um grande avanço na busca por uma maneira melhor de sintetizar a amônia. A próxima etapa será descobrir como lidar com a forma como os elétrons armazenados nos hidretos em ponte fluem para a molécula de nitrogênio e como sua forte ligação tripla é rompida.

A equipe de pesquisa completa incluiu Simone Raugei do PNNL; Lance C. Seefeldt da Utah State University e PNNL; Veronika Hoeke e Brian M. Hoffman da Northwestern University; Laura Tociu, da Universidade de Chicago; e David A. Case da Rutgers University. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia (DOE), os Institutos Nacionais de Saúde, e a National Science Foundation.