Forskning i nitrogenfiksering kunne kaste lys over biologisk mystik

Inspireret af en naturlig proces fundet i visse bakterier, et hold af Caltech-forskere rykker tættere på en ny metode til at producere gødning, som en dag kan give fordele for landmænd – især i udviklingslandene – samtidig med at de kaster lys over et biologisk mysterium.

Gødning er kemiske kilder til næringsstoffer, som ellers mangler i jorden. Mest almindeligt, gødning tilfører grundstoffet nitrogen, som er afgørende for alt levende, da det er en grundlæggende byggesten i DNA, RNA, og proteiner. Nitrogengas er meget rigeligt på Jorden, udgør 78 procent af vores atmosfære. Imidlertid, de fleste organismer kan ikke bruge nitrogen i sin gasform.

For at gøre nitrogen anvendeligt, det skal "fikses" - omdannet til en form, der kan indgå i fødekæden som et næringsstof. Der er to primære måder, der kan ske, en naturlig og en syntetisk.

Nitrogenfiksering sker naturligt på grund af virkningen af ​​mikrober, der lever i knuder på planterødder. Disse organismer omdanner nitrogen til ammoniak gennem specialiserede enzymer kaldet nitrogenaser. Den ammoniak, som disse nitrogenfikserende organismer skaber, befrugter planter, som derefter kan indtages af dyr, inklusive mennesker. I et papir fra 2008, der vises i tidsskriftet Natur Geovidenskab , et team af forskere vurderede, at naturligt fikseret nitrogen giver mad til omkring halvdelen af ​​de mennesker, der lever på planeten.

Den anden halvdel af verdens fødevareforsyning opretholdes gennem kunstig nitrogenfiksering, og den primære metode til at gøre dette er Haber-Bosch-processen, en reaktion i industriel skala udviklet i Tyskland for over 100 år siden. I processen, brint- og nitrogengasser kombineres i store reaktionsbeholdere, under intenst tryk og varme i nærvær af en faststofjernkatalysator, at danne ammoniak.

"Gasserne sættes under tryk op til mange hundrede atmosfærer og varmes op til flere hundrede grader Celsius, " siger Caltechs Ben Matson, en kandidatstuderende i laboratoriet hos Jonas C. Peters, Bren professor i kemi og direktør for Resnick Sustainability Institute. "Med jernkatalysatoren brugt i den industrielle proces, disse ekstreme forhold er nødvendige for at producere ammoniak i passende mængder."

I et nyligt blad, der udkom i ACS Central Science , Matson, Peters, og deres kolleger beskriver en ny måde at fiksere nitrogen på, som er inspireret af, hvordan mikrober gør det.

Nitrogenaser består af syv jernatomer omgivet af et proteinskelet. Strukturen af ​​et af disse nitrogenase-enzymer blev først løst af Caltechs Douglas Rees, Roscoe Gilkey Dickinson professor i kemi. Forskerne i Peters' laboratorium har udviklet noget, der ligner en bakteriel nitrogenase, omend meget enklere - et molekylært stillads, der omgiver et enkelt jernatom.

Det molekylære stillads blev først udviklet i 2013 og, selvom det oprindelige design viste lovende i fiksering af nitrogen, det var ustabilt og ineffektivt. Forskerne har forbedret dets effektivitet og stabilitet ved at tilpasse det kemiske bad, hvori fikseringsreaktionen finder sted, og ved at afkøle den til cirka temperaturen af ​​tøris (-78 grader Celsius). Under disse forhold, reaktionen omdanner 72 procent af udgangsmaterialet til ammoniak, en stor forbedring i forhold til den oprindelige metode, som kun omdannede 40 procent af udgangsmaterialet til ammoniak og krævede mere energitilførsel for at gøre det.

Matson, Peters, og kolleger siger, at deres arbejde rummer potentialet for to store fordele:

Produktionsvenlig:

Fordi den teknologi, der udvikles, ikke kræver høje temperaturer eller tryk, der er ikke behov for den store industrielle infrastruktur, der kræves til Haber-Bosch-processen. Det betyder, at det måske en dag vil være muligt at fiksere kvælstof i mindre anlæg, der ligger tættere på hvor afgrøderne dyrkes.

"Vores arbejde kan være med til at inspirere til nye teknologier til gødningsproduktion, " siger Trevor del Castillo, en Caltech kandidatstuderende og medforfatter af papiret. "Selvom denne type teknologi sandsynligvis ikke vil fortrænge Haber-Bosch-processen i en overskuelig fremtid, det kan have stor indflydelse på steder, der ikke har et meget stabilt energinet, men har adgang til rigelig vedvarende energi, såsom udviklingslandene. Der er helt sikkert plads til ny teknologiudvikling her, en slags 'on demand' solcelle-, vandkraft-, eller vinddrevet proces."

Forståelse af naturlig nitrogenfiksering:

Nitrogenase-enzymet er kompliceret og kræsent, ikke fungerer, hvis de omgivende forhold ikke er rigtige, hvilket gør det svært at studere. Den nye katalysator, på den anden side, er forholdsvis enkel. Holdet mener, at deres katalysator udfører fiksering på en konceptuelt lignende måde som enzymet, og at dens relative enkelhed vil gøre det muligt at studere fikseringsreaktioner i laboratoriet ved hjælp af moderne spektroskopiske teknikker.

"En fascinerende ting er, at vi virkelig ikke ved, på molekylært niveau, hvordan nitrogenase-enzymet i disse bakterier faktisk omdanner nitrogen til ammoniak. Det er et stort ubesvaret spørgsmål, " siger kandidatstuderende Matthew Chalkley, også medforfatter på papiret.

Peters siger, at deres forskning i denne katalysator allerede har givet dem en dybere forståelse af, hvad der sker under en nitrogenfikserende reaktion.

"En fordel ved vores syntetiske jernnitrogenase-system er, at vi kan studere det meget detaljeret, " siger han. "Virkelig, ud over at forbedre effektiviteten af ​​denne nye katalysator til nitrogenfiksering væsentligt, vi har gjort store fremskridt i forståelsen, på atomniveau, de kritiske bindingsbrydende og skabende trin, der fører til ammoniaksyntese fra nitrogen."

Hvis processer af denne type kan raffineres yderligere og deres effektivitet øges, Peters tilføjer, de kan også have anvendelser uden for gødningsproduktionen.

"Hvis dette kan opnås, distribueret solcelledrevet ammoniaksyntese kan blive en realitet. Og ikke kun som gødningskilde, men også som et alternativ, bæredygtig, og lagerbart kemisk brændstof, " han siger.