Model for energilagring og drevet syntese. Uden (hv. med) den orange stiplede overgang, det kemiske reaktionsnetværk modellerer energilagring (hhv. drevet syntese). Den højenergiske art A2A2 er i lav koncentration ved ligevægt. At drive systemet ved at kemostatere brændstof (FF) og affaldsarter (WW) øger dannelsen af A2A2 ud af monomeren MM via de aktiverede arter M2M2 og A∗2A2∗. a Det kemiske reaktionsnetværk (fremadgående flux defineres mod uret). Kredit: Naturkommunikation (2019). DOI:10.1038/s41467-019-11676-x
Fysikere ved University of Luxembourg har udviklet teoretiske værktøjer til at analysere og optimere kemiske motorer lige fra simple kemiske reaktionsnetværk til komplekse metaboliske veje.
Papiret, "Termodynamisk effektivitet i dissipativ kemi, " rapporterer resultaterne af forskningen udført af prof. Massimiliano Esposito, Dr. Riccardo Rao og Ph.D. studerende Emanuele Penocchio fra Det Naturvidenskabelige Fakultet, Teknologi og kommunikation ved universitetet i Luxembourg. Den blev udgivet i Naturkommunikation .
Termodynamik, den gren af fysik, der beskæftiger sig med energiomdannelse og dens begrænsninger, opstod i et forsøg på at forbedre effektiviteten af mekaniske motorer såsom damp- eller forbrændingsmotorer. I standardteori, termodynamiske love var aldrig anvendelige til at karakterisere ydeevnen af små kemiske motorer såsom levende celler.
I mekaniske motorer, maksimal effektivitet falder aldrig sammen med maksimal effekt. En bils effektivitet varierer afhængigt af hastigheden. Hvis der køres hurtigt med fuld hestekræfter, effektiviteten ved maksimal effekt er normalt meget lav.
Tingene er anderledes i molekylernes verden, som prof. Esposito, Dr. Rao og Mr. Penocchio har opdaget. Forskerne har udviklet en ny metode til at anvende termodynamiske principper på kemiske systemer. Disse resultater kan vise sig at være nyttige inden for bioteknik eller nanoteknologi i fremtiden.
Forskningen har taget et skridt i retning af at evaluere de termodynamiske omkostninger for at bygge og holde en celle i gang. For eksempel:Hvor meget energi i den mad, en celle indtager, er spildt, og hvor meget bruges på det kemiske niveau? Resultaterne registrerer forhold, hvor systemer arbejder med maksimal effektivitet og maksimal effekt på samme tid.
"Vi antager normalt, at naturen er meget effektiv takket være evolutionens tidsaldre. Ved at kvantificere effektiviteten af forskellige kemiske operationer i forskellige organismer, vi kan måske sætte den slags ideer på mere solidt grundlag en dag, dermed bidrage til en bedre forståelse af biologiske systemer. Denne undersøgelse giver grundlag for fremtidige præstationsstudier og optimalt design i kemi. Vi kan nu besvare spørgsmål om effektiviteten af enhver operation udført af et åbent kemisk system, " siger prof. Esposito.