Pesquisadores da Ruhr-Universität Bochum (RUB) desenvolveram novas técnicas para acoplar com eficiência enzimas bacterianas a eletrodos. Junto com uma equipe da Universidade de Utah, eles realizaram um sistema para síntese de amônia baseado em uma enzima nitrogenase. Eles também projetaram uma célula de biocombustível de hidrogênio / oxigênio baseada em uma enzima hidrogenase, juntamente com uma equipe do Instituto Max Planck para Conversão de Energia Química. Ambos os artigos foram publicados na revista Angewandte Chemie em maio e junho de 2020.

Enzimas poderosas requerem condições especiais

Muitas enzimas que ocorrem na natureza são catalisadores poderosos, tais como as chamadas [FeFe] -hidrogenases. As hidrogenases são usadas pelas bactérias para produzir hidrogênio, enquanto as nitrogenases conseguem ativar a ligação mais forte da natureza no nitrogênio (N2). Ambas as enzimas são altamente sensíveis ao oxigênio, mas use metais não preciosos prontamente disponíveis em seus centros ativos. Assim, eles poderiam um dia substituir os caros catalisadores de metais preciosos. "Usar esses catalisadores altamente sensíveis para células de biocombustível ainda é um dos maiores desafios na conversão de energia sustentável, "diz o professor Wolfgang Schuhmann, chefe do Centro de Eletroquímica RUB e membro do cluster de excelência "Ruhr Explores Solvation, "Resolv.

Biocélula realizada com enzima

Em cooperação com a equipe do Professor Wolfgang Lubitz do Instituto Max Planck para Conversão de Energia Química em Mülheim an der Ruhr, o grupo de Bochum mostrou em que circunstâncias isso é possível. Eles usaram a chamada [FeFe] hidrogenase da bactéria Desulfovibrio desulfuricans. Embora este seja um catalisador muito eficiente, ele deve ser protegido na célula de combustível do oxigênio necessário para a operação no segundo eletrodo.

Nesse trabalho, os cientistas integraram a [FeFe] -hidrogenase pela primeira vez em uma célula de biocombustível operada com os chamados eletrodos de difusão de gás. Nesta célula, hidrogênio e oxigênio são transportados para as enzimas através de uma membrana. A equipe incorporou a enzima em uma matriz que consiste no chamado polímero redox, que fixa a enzima na superfície do eletrodo permeável ao gás, protege a enzima dos efeitos nocivos do oxigênio e também estabelece o contato elétrico entre a enzima e o eletrodo. Com este design, a célula de combustível alcançou altas densidades de corrente anteriormente não atingidas de 14 miliamperes por centímetro quadrado e altas densidades de potência de 5,4 miliwatts por centímetro quadrado.

Processo de base biológica para produção de amônia

No segundo projeto, a equipe de pesquisa do RUB, junto com o grupo dos EUA liderado pelo professor Shelley Minteer da Universidade de Salt-Lake City, procurou uma alternativa bioeletrossintética para a síntese de amônia. Na indústria química, amônia é comumente produzida usando o processo Haber-Bosch em alta temperatura e alta pressão e com uma liberação considerável de CO ₂ .

Algumas bactérias possuem enzimas, chamados nitrogenases, com o qual fixam nitrogênio molecular (N2) e podem metabolizá-lo à temperatura ambiente e sem aumento de pressão. Contudo, em organismos vivos, isso consome muita energia na forma de moléculas de armazenamento de energia ATP.

A equipe de pesquisa mostrou que é possível acoplar a nitrogenase da bactéria Azotobacter vinelandii a um eletrodo pelo qual podem ser fornecidos os elétrons necessários para a reação. para que nenhum ATP seja necessário. Mais uma vez, a chave do sucesso foi um polímero redox que ajudou a estabelecer um contato elétrico estável e eficiente entre o eletrodo e o compósito de polímero nitrogenase / redox. "Para nosso conhecimento, a fixação e o contato de nitrogenases em polímeros redox é o primeiro passo para tornar as nitrogenases aplicáveis ​​para bioeletrossíntese, "escrevem os autores do estudo.