يصنع العلماء محفزات اصطناعية مستوحاة من الإنزيمات الحية


تعتمد جميع الكائنات الحية على الإنزيمات - جزيئات تسرع التفاعلات الكيميائية الحيوية الضرورية للحياة.

قضى العلماء عقودًا في محاولة إنشاء إنزيمات اصطناعية قادرة على التخلص من المواد الكيميائية والوقود المهمة على نطاق صناعي مع أداء ينافس نظرائهم الطبيعيين.

طور باحثون من جامعة ستانفورد ومختبر تسريع الوطني في SLAC محفزًا اصطناعيًا ينتج مواد كيميائية بنفس الطريقة التي تعمل بها الإنزيمات في الكائنات الحية. في دراسة نشرت في عدد 5 أغسطس من مجلة Nature Catalysis ، يقول الباحثون إن اكتشافهم قد يؤدي إلى محفزات صناعية قادرة على إنتاج الميثانول باستخدام طاقة أقل وبتكلفة أقل. للميثانول مجموعة متنوعة من التطبيقات ، وهناك طلب متزايد على استخدامه كوقود مع انبعاثات أقل من البنزين التقليدي.

يقول المؤلف الكبير ماتيو كارنيلو ، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية في جامعة ستانفورد: "لقد استلهمنا الطبيعة". "أردنا تقليد وظيفة الإنزيمات الطبيعية في المختبر باستخدام مواد حفازة اصطناعية لصنع مركبات مفيدة."

للتجربة ، صمم الباحثون محفزًا مصنوعًا من البلورات النانوية للبلاديوم ، وهو معدن ثمين ، مُضمن في طبقات من البوليمرات المسامية المصممة وفقًا لخصائص الحفاز الخاصة. تحتوي معظم إنزيمات البروتين الموجودة في الطبيعة أيضًا على معادن أثرية ، مثل الزنك والحديد ، في قلبها.

كان الباحثون قادرين على مراقبة البلاديوم النزرة في محفزاتهم من خلال الصور المجهرية الإلكترونية من قبل المؤلف المشارك أندرو هيرزينج من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا.

رد فعل النموذج

": تحويل أول أكسيد الكربون السام والأوكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون (CO ركزنا على تفاعل كيميائي نموذج 2 ،)" قال طالب دكتوراه أندرو Riscoe، والمؤلف الرئيسي للدراسة. "هدفنا هو معرفة ما إذا كان حافزا الاصطناعي ستعمل مثل انزيم من خلال تسريع رد الفعل والسيطرة على الطريق CO 2 وينتج".

لمعرفة ذلك ، وضعت Riscoe المحفز في أنبوب مفاعل مع تدفق مستمر من أول أكسيد الكربون وغاز الأكسجين. عندما يتم تسخين الأنبوب إلى حوالي 150 درجة مئوية (302 درجة فهرنهايت) ، بدأ المحفز في توليد المنتج المطلوب ، وهو ثاني أكسيد الكربون.

كشفت الأشعة السينية عالية الطاقة الصادرة عن مصدر الإشعاع الإشعاعي في جامعة ستانفورد (SSRL) في SLAC أن المحفز له سمات مماثلة لتلك التي شوهدت في الإنزيمات: تتفاعل البلورات النانوية في البلاديوم داخل المحفز بشكل مستمر مع أكسجين وأول أكسيد الكربون لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. وبعض جزيئات ثاني أكسيد الكربون المشكَّلة حديثًا كانت محاصرة في طبقات البوليمر الخارجية أثناء هروبها من البلورات النانوية.

"وأظهرت الأشعة السينية أنه بمجرد امتلأت طبقات البوليمر مع CO 2 ، توقف رد الفعل"، وقال Cargnello، إحدى الشركات التابعة مع مبادرة الغاز الطبيعي ستانفورد (NGI). "وهذا أمر مهم، لأنه نفس الاستراتيجية المستخدمة من قبل الإنزيمات، وعندما تنتج انزيم الكثير من المنتج، وتوقف عن العمل، لأنه لم تعد هناك حاجة للمنتج. لقد أظهرنا أننا يمكن أيضا تنظيم إنتاج CO 2 عن طريق التحكم التركيب الكيميائي لطبقات البوليمر. هذا النهج يمكن أن يؤثر على العديد من مجالات الحفز الكيميائي. "

تم إجراء تصوير الأشعة السينية من قبل مؤلفي الدراسة المشاركين أليكسي بوبنوف ، وهو باحث في مرحلة ما بعد الدكتوراة في جامعة ستانفورد ، وعلماء SLAC سيمون بير وآدم هوفمان.

صنع الميثانول

مع نجاح تجربة ثاني أكسيد الكربون ، حوّل Cargnello وزملاؤه انتباههم إلى تحويل الميثان ، المكون الرئيسي في الغاز الطبيعي ، إلى ميثانول ، وهي مادة كيميائية تستخدم على نطاق واسع في المنسوجات والبلاستيك والدهانات. كما تم وصف الميثانول كبديل أرخص وأنظف لوقود البنزين.

وقال كارنيلو: "القدرة على تحويل الميثان إلى الميثانول في درجات حرارة منخفضة تعتبر كوة مقدسة للحفز الكيميائي". "هدفنا على المدى الطويل هو بناء محفز يتصرف مثل الميثان أحادي الأكسجين ، وهو إنزيم طبيعي تستخدمه بعض الميكروبات في استقلاب الميثان."

يتم إنتاج معظم الميثانول اليوم في عملية من خطوتين تتضمن تسخين الغاز الطبيعي إلى درجات حرارة حوالي 1000 درجة مئوية (1800 فهرنهايت). لكن هذه العملية كثيفة الاستخدام للطاقة تنبعث منها كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون ، وهو غازات دفيئة قوية تساهم في تغير المناخ العالمي.

"ومن شأن حافزا الاصطناعي الذي يحول مباشرة إلى غاز الميثان والميثانول تتطلب درجات حرارة أقل من ذلك بكثير، وتنبعث منها أقل بكثير CO 2 "، وأوضح Riscoe. "من الناحية المثالية ، يمكننا أيضًا التحكم في منتجات التفاعل من خلال تصميم طبقات البوليمر التي تحبس الميثانول قبل أن تحترق."

الانزيمات في المستقبل

وقال كارنيللو ، الذي ينتمي أيضا إلى مركز سانكات للعلم والتفاعلات في ستانفورد: "لقد أظهرنا في هذا العمل أنه يمكننا إعداد مواد هجينة مصنوعة من البوليمرات والبلورات النانوية المعدنية التي لها سمات معينة نموذجية للنشاط الأنزيمي". "الجزء المثير هو أنه يمكننا تطبيق هذه المواد على الكثير من الأنظمة ، مما يساعدنا على فهم تفاصيل العملية الحفزية بشكل أفضل ونقترب خطوة من الإنزيمات الصناعية".

من بين المؤلفين المشاركين الآخرين كودي وراسمان ، طالب الدكتوراه في جامعة ستانفورد ، وأديتيا مينون ، وماريا فارغاس ، المتدربة بالمدرسة الثانوية بدعم من برنامج زيادة الاهتمام بالعلوم والهندسة في جامعة ستانفورد.

تم توفير التمويل البحثي من خلال منحة أولية من NGI ، بالتعاون بين كلية الأرض والطاقة وعلوم البيئة (ستانفورد إيرث) ومعهد بريوروت للطاقة. تم تقديم دعم إضافي من قبل زمالة كلية ترمان في كلية ستانفورد للهندسة وبرنامج زمالة أبحاث الخريجين التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم. تم توفير التمويل للعمل في SSRL من قبل وزارة الطاقة الأمريكية للعلوم ، مكتب علوم الطاقة الأساسية.

شارك المقالة عبر:

اترك تعليقا:

الاكتر شيوعا

Wikipedia

نتائج البحث

نموذج الاتصال

الاسم

بريد إلكتروني *

رسالة *

إجمالي مرات مشاهدة الصفحة

المشاركات الشائعة