p Cerca de 15 anos atrás, Simone Raugei começou a simular experimentos de química em nível molecular. p Hoje, como parte de uma equipe de pesquisa de primeira linha auxiliada por computação avançada, Raugei e seus colegas estão preparados para quebrar um código oculto importante:o método intrincado da natureza para liberar energia sob demanda.

p "Queremos saber como canalizar energia precisamente no momento certo, no lugar certo, para realizar a reação química que queremos, assim como as enzimas fazem na natureza, "disse Raugei, um cientista computacional que lidera a pesquisa em biociências físicas no Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). "Os avanços na computação nos ajudaram a fazer um progresso tremendo nos últimos cinco ou seis anos. Agora temos uma massa crítica de recursos e conhecimento."

p A pesquisa faz parte do foco do PNNL em reinventar conversões químicas, que apóia as metas do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, Programa de Ciências Básicas da Energia (BES). Um dos muitos objetivos do programa é entender, em um nível atômico, como os catalisadores naturais produzem reações específicas, de novo e de novo, Num piscar de olhos.

p A capacidade de imitar essas reações naturais pode melhorar profundamente o projeto de novos catalisadores sintéticos para a produção de energia mais limpa e eficiente, processo industrial, e materiais.

p Raugei descreveu o programa BES Physical Biosciences como o esforço visionário que reuniu grupos de pesquisa individuais e experimentalistas para colaborar em "grandes questões em biocatálise" - especificamente, como controlar matéria e energia.

p As perguntas não ficam muito maiores do que isso.

p Enzimas:catalisadores da natureza

p No PNNL, Raugei trabalha de perto com seus colegas cientistas computacionais Bojana Ginovska e Marcel Baer para examinar o funcionamento interno das enzimas. Encontrado dentro de cada célula viva, esses minúsculos multitarefas direcionam todos os tipos de reações para diferentes funções.

p Por meio de ciclos de feedback entre a teoria, simulações de computador, e experimentação entre PNNL e colaboradores universitários, os cientistas fizeram progressos constantes na descoberta das maquinações moleculares de vários tipos de enzimas. Eles estão particularmente interessados ​​em nitrogenase, uma enzima encontrada em microrganismos que vivem no solo, que tem a capacidade única de quebrar a ligação tripla do nitrogênio - uma das ligações mais fortes da natureza. Essa fratura molecular, que ocorre no núcleo ativo enterrado da nitrogenase, produz amônia.

p No mundo da química comercial, a amônia é usada para fazer muitos produtos valiosos, como fertilizantes. Mas produzir amônia em escala industrial consome muita energia. Grande parte dessa energia é gasta tentando quebrar as robustas ligações triplas do nitrogênio. Descobrir como a natureza faz isso de forma tão eficiente é a chave para projetar novos catalisadores sintéticos que melhoram o processo de produção de amônia e outros produtos comerciais.

p Nitrogenase:decifrando o código

p Cerca de dois anos atrás, a equipe do PNNL e cientistas universitários isolou a elusiva estrutura molecular dentro da nitrogenase - chamada de intermediário Janus - que representa o 'ponto sem retorno' na produção de amônia. Os pesquisadores descobriram que dois hidrogênios carregados negativamente, chamados hidretos, formar pontes com dois íons de ferro. Essas pontes permitem que quatro elétrons extras estacionem dentro do núcleo do aglomerado de átomos.

p A pesquisa mais recente da equipe confirmou o embaralhamento de elétrons dentro do ambiente proteico, acumulando energia suficiente para quebrar as ligações de nitrogênio e formar amônia. Técnicas de espectroscopia poderosas foram usadas para sondar as interações magnéticas entre os elétrons no núcleo metálico da enzima. Essas interações foram então correlacionadas com simulações quânticas da transformação da enzima para produzir a estrutura molecular do intermediário Janus.

p "A energia da entrega de elétrons é incrível, "disse Raugei." Quando você pensa em adicionar elétrons em um minúsculo aglomerado de átomos, um elétron é difícil, dois é mais difícil, três é muito difícil, e adicionar o quarto é geralmente considerado impossível. Mas descobrimos que é assim que acontece. "

p Lance Seefeldt, um professor da Universidade Estadual de Utah que tem uma nomeação conjunta na PNNL, lidera o trabalho experimental para a pesquisa de nitrogenase da equipe. Outro colaborador importante, e o "cérebro por trás das medições de espectroscopia" de acordo com Raugei, é Brian Hoffman da Northwestern University. As descobertas mais recentes da equipe sobre nitrogenase foram publicadas no Jornal da American Chemical Society em dezembro de 2020.

p Colaborações de química quântica

p Ginovska ajuda a direcionar as atividades do dia-a-dia dos pesquisadores de pós-doutorado do grupo que trabalham no projeto. Ela credita Raugei por estabelecer e manter conexões entre a comunidade científica para estimular o progresso na pesquisa de enzimas.

p "Como um centro teórico, colaboramos com universidades e outros laboratórios nacionais para os aspectos experimentais da pesquisa, "disse Ginovska." Começamos com a nitrogenase e cresceu a partir daí. Agora estamos trabalhando em vários sistemas enzimáticos. Todo esse trabalho está alimentando a mesma base de conhecimento. "

p Karl Mueller, diretor de ciência e tecnologia da Diretoria de Ciências Físicas e Computacionais do PNNL, disse que a nitrogenase é um excelente exemplo dos problemas desafiadores que podem ser enfrentados em um laboratório nacional por meio da colaboração entre cientistas experimentais e computacionais, incluindo pesquisadores universitários. Enquanto os cientistas se preparam para entrar no novo Centro de Ciências da Energia do PNNL no outono de 2021, Raugei está confiante de que as capacidades aprimoradas e o ambiente colaborativo ajudarão a equipe em breve a quebrar o código restante de como a nitrogenase forma amônia.

p "Sabemos que tem a ver com a adição de átomos de hidrogênio, mas como? Há uma infinidade de caminhos possíveis e é isso que estamos examinando agora, "disse Raugei." Esta é definitivamente uma aplicação em que os avanços na computação quântica irão acelerar nossa pesquisa e elevar nossa compreensão de sistemas complexos. "

p À medida que o ritmo do progresso científico avança, nitrogenase é apenas um exemplo de como a promessa da química quântica, Computação quântica, e o Centro de Ciências da Energia do PNNL poderia ajudar a responder à próxima grande questão na catálise.