Kvantekemi, kvanteberegning, og Pacific Northwest National Laboratory's Energy Sciences Center kunne hjælpe forskere med at besvare det næste store spørgsmål inden for katalyse. (Billede af Timothy Holland | Pacific Northwest National Laboratory)
For omkring 15 år siden, Simone Raugei begyndte at simulere kemieksperimenter på molekylært niveau.
I dag, som en del af et forskerhold i topklasse hjulpet af avanceret databehandling, Raugei og hans kolleger står klar til at knække en vigtig skjult kode:naturens indviklede metode til at frigive energi efter behov.
"Vi vil gerne vide, hvordan man kan lede energi præcist på det rigtige tidspunkt, på det rigtige sted, at udføre den kemiske reaktion, vi ønsker - ligesom enzymer gør i naturen, sagde Raugei, en beregningsforsker, der leder den fysiske biovidenskabelige forskning ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). "Fremskridt inden for computing har hjulpet os med at gøre enorme fremskridt i de sidste fem eller seks år. Vi har nu en kritisk masse af kapaciteter og viden."
Forskningen er en del af PNNL's fokus på at genopfinde kemiske omdannelser, som understøtter målene for US Department of Energy Office of Science, Grundlæggende energividenskab (BES) program. Et af programmernes mange mål er at forstå, på atomniveau, hvordan naturlige katalysatorer udløser specifikke reaktioner, igen og igen, i løbet af et øjeblik.
Evnen til at efterligne disse naturlige reaktioner kunne i høj grad forbedre designet af nye syntetiske katalysatorer til at producere renere og mere effektiv energi, industrielle processer, og materialer.
Raugei beskrev BES Physical Biosciences-programmet som den visionære indsats, der samlede individuelle forskningsgrupper og eksperimentalister for at samarbejde om "store spørgsmål i biokatalyse" - specifikt, hvordan man kontrollerer stof og energi.
Spørgsmålene bliver ikke meget større end det.
Enzymer:naturens katalysatorer
Hos PNNL, Raugei arbejder tæt sammen med andre beregningsforskere Bojana Ginovska og Marcel Baer for at undersøge enzymernes indre funktion. Findes i hver levende celle, disse miniscule multi-taskere dirigerer alle mulige reaktioner for forskellige funktioner.
Gennem feedback loops mellem teori, computersimuleringer, og eksperimenter blandt PNNL og universitetssamarbejdspartnere, forskerne har gjort støt fremskridt med at afdække de molekylære manipulationer af flere typer enzymer. De er især interesserede i nitrogenase, et enzym, der findes i jordlevende mikroorganismer, som har en unik evne til at bryde nitrogens tredobbelte binding fra hinanden - en af de stærkeste bindinger i naturen. Det molekylære brud, som forekommer i den nedgravede aktive kerne af nitrogenase, producerer ammoniak.
I en verden af kommerciel kemi, ammoniak bruges til at fremstille mange værdifulde produkter, såsom gødning. Men at producere ammoniak i industriel skala kræver meget energi. Meget af den energi bruges på at prøve at bryde nitrogens robuste tredobbeltbindinger. At finde ud af, hvordan naturen gør det så effektivt, er nøglen til at designe nye syntetiske katalysatorer, der forbedrer produktionsprocessen for ammoniak og andre kommercielle produkter.
Nitrogenase:knækker koden
For omkring to år siden, holdet af PNNL og universitetsforskere isolerede den undvigende molekylære struktur inde i nitrogenase – kaldet Janus-mellemproduktet – der repræsenterer 'point of no return' i produktionen af ammoniak. Forskerne fandt ud af, at to negativt ladede hydrogenatomer, kaldet hydrider, danne broer med to jernioner. Disse broer tillader fire ekstra elektroner at parkere inde i kerneklyngen af atomer.
Holdets seneste forskning bekræftede shuffling af elektroner i proteinmiljøet, pakning i nok energi til at bryde nitrogenbindingerne og danne ammoniak. Kraftige spektroskopiteknikker blev brugt til at undersøge de magnetiske interaktioner mellem elektroner i enzymets metalliske kerne. Disse interaktioner blev derefter korreleret med kvantesimuleringer af enzymets transformation for at give den molekylære struktur af Janus-mellemproduktet.
"Energetikken i elektronleveringen er fantastisk, " sagde Raugei. "Når du tænker på at tilføje elektroner til en lille klynge af atomer, en elektron er svært, to er sværere, tre er virkelig svært, og at tilføje den fjerde anses generelt for umuligt. Men vi fandt ud af, at det er sådan, det sker."
Lance Seefeldt, en professor ved Utah State University, der har en fælles ansættelse ved PNNL, leder det eksperimentelle arbejde for holdets nitrogenaseforskning. Endnu en vigtig samarbejdspartner, og "mastermindet bag spektroskopimålingerne" ifølge Raugei, er Brian Hoffman fra Northwestern University. Holdets seneste resultater om nitrogenase blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society i december 2020.
Kvantekemi samarbejder
Ginovska hjælper med at lede de daglige aktiviteter for gruppens postdoktorale forskere, der arbejder på projektet. Hun krediterer Raugei med at etablere og vedligeholde forbindelser mellem det videnskabelige samfund for at fremme fremskridt inden for enzymforskning.
"Som et teoretisk knudepunkt, vi samarbejder med universiteter og andre nationale laboratorier om de eksperimentelle aspekter af forskningen, " sagde Ginovska. "Vi startede med nitrogenase, og det voksede derfra. Vi arbejder nu på flere enzymsystemer. Alt det arbejde fødes ind i den samme videnbase."
Karl Mueller, chief science and technology officer for PNNL's Physical and Computational Sciences Directorate, nævnte nitrogenase er et glimrende eksempel på de udfordrende problemer, der kan løses på et nationalt laboratorium gennem samarbejde mellem eksperimentelle og beregningsmæssige videnskabsmænd, herunder universitetsforskere. Mens forskerne forbereder sig på at flytte ind i PNNLs nye energividenskabscenter i efteråret 2021, Raugei er overbevist om, at de forbedrede muligheder og samarbejdsmiljø vil hjælpe holdet med at knække den resterende kode for, hvordan nitrogenase danner ammoniak.
"Vi ved, at det har at gøre med at tilføje brintatomer, men hvordan? Der er et væld af mulige veje, og det er det, vi kigger på nu, " sagde Raugei. "Dette er bestemt en applikation, hvor gennembrud inden for kvanteberegning vil accelerere vores forskning og højne vores forståelse af komplekse systemer."
Mens tempoet i videnskabelige fremskridt skrider fremad, nitrogenase er blot et eksempel på, hvordan løftet om kvantekemi, kvanteberegning, og PNNL's Energy Sciences Center kunne hjælpe med at besvare det næste store spørgsmål inden for katalyse.