È così metallico: gli scienziati confermano che il nichel svolge un ruolo chiave in un'antica reazione chimica

18 agosto 2023

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di Kimberly Hickok, SLAC National Accelerator Laboratory

L’anidride carbonica (CO2) è il gas serra più abbondante che causa il cambiamento climatico, ma esisteva sulla Terra molto prima che gli esseri umani iniziassero a rilasciarlo nell’atmosfera a livelli senza precedenti. Pertanto, alcuni dei primi organismi del pianeta si sono evoluti per sfruttare e utilizzare questo gas che altrimenti sarebbe dannoso per gli esseri umani e per il pianeta.

Uno di questi processi, chiamato via Wood-Ljungdahl, avviene solo in assenza di ossigeno e si ritiene che sia il percorso di fissazione del carbonio più efficiente in natura. Ma non è ancora chiaro come proceda esattamente il percorso da un passo all’altro.

Ora, gli scienziati della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia, l’Università del Michigan, la Northwestern University e la Carnegie Mellon University hanno scoperto il funzionamento interno precedentemente sconosciuto del percorso Wood-Ljungdahl.

I loro risultati, pubblicati il ​​mese scorso sul Journal of American Chemical Society, non solo fanno luce su una delle più antiche reazioni chimiche sulla Terra, ma potrebbero anche portare a migliori tecniche di cattura del carbonio per gli sforzi di mitigazione del cambiamento climatico.

"Prima di questo studio, sapevamo che affinché il percorso Wood-Ljungdahl generi carbonio utilizzabile dagli organismi, inizia con l'anidride carbonica", ha affermato Macon Abernathy, ricercatore associato presso la SSRL e coautore dello studio. "Quindi converte la CO2 in monossido di carbonio e un gruppo metilico e attraverso una sorta di magia chimica li fonde in una forma di carbonio che può essere utilizzata dall'organismo."

Per anni, gli scienziati hanno ipotizzato che il percorso operi attraverso una serie di intermedi organometallici a base di nichel, che formano legami metallo-carbonio. Nello specifico, i ricercatori si sono concentrati su un complesso di due proteine ​​nichel-ferro-zolfo, chiamate CO deidrogenasi e acetil-CoA sintasi (CODH/ACS), che sono gli enzimi primari che catalizzano la conversione dell'anidride carbonica in energia e carbonio strutturale per la costruzione. pareti cellulari e proteine.

Ma confermare questa ipotesi si è rivelato complicato poiché il complesso enzimatico deve essere purificato in un’atmosfera priva di ossigeno, come quella della Terra primordiale 4 miliardi di anni fa, quando queste proteine ​​e questo percorso emersero. Inoltre i composti intermedi sono spesso instabili e la reazione può diventare rapidamente inattiva. Inoltre, la presenza di altri atomi di nichel e ferro nel CODH interferisce con lo studio dell'ACS, obiettivo di questo studio.

Per aggirare queste sfide, i ricercatori hanno sviluppato una versione più attiva della proteina, esclusivamente ACS, senza CODH, e hanno utilizzato i raggi X presso l’SSRL per comprendere i suoi metalli e come funzionano all’interno dell’enzima. Il team ha applicato la spettroscopia a raggi X, una tecnica in cui gli scienziati studiano l’interferenza della luce che viene assorbita, rilasciata e poi rimbalzata sui metalli in un complesso – qui l’ACS – per identificare i cambiamenti dei legami chimici mentre avvengono le reazioni. .

In breve, gli scienziati hanno confermato la loro ipotesi di vecchia data.

"Quello che abbiamo scoperto è che c'è un aspetto molto intricato della chimica organometallica in cui un singolo sito di nichel nell'enzima fa tutte le cose divertenti", ha detto Ritimukta Sarangi, scienziato senior della SSRL e autore corrispondente dello studio.

Il team ha appreso che, sebbene l'enzima abbia un cluster di due nichel legati a quattro atomi ciascuno di ferro e zolfo, la reazione avviene sempre in uno specifico nichel all'interno del cluster, ha affermato Steve Ragsdale, professore all'Università del Michigan e autore corrispondente. sullo studio. "I carboni, come il monossido di carbonio, il gruppo metile e il gruppo acetile, si legano tutti al nichel più vicino al ferro e allo zolfo, ed è molto chiaro che non si legano a nessuno degli altri metalli."