A natureza dupla do hidrogênio ajuda a revelar processos catalíticos ocultos

Os microrganismos há muito usam o hidrogênio como fonte de energia. Para fazer isso, eles contam com hidrogenases que contêm metais em seu centro catalítico. Para utilizar esses biocatalisadores para conversão de hidrogênio, os pesquisadores estão trabalhando para entender o processo de catálise.

Uma equipe de três Institutos Max Planck (MPI), do Centro de Imagens Bioestruturais de Neurodegeneração (BIN) do Centro Médico Universitário de Göttingen (UMG), da Universidade de Kiel e da FACCTs GmbH usou uma peculiaridade química do hidrogênio para amplificar os sinais de espectroscopia de ressonância magnética. Desta forma, os cientistas conseguiram visualizar etapas intermediárias até então desconhecidas na conversão do hidrogênio. O estudo é publicado em Catálise da Natureza.

Como substituto dos combustíveis fósseis, fonte de energia ou catalisador em processos químicos, o hidrogénio é considerado um bom candidato para uma economia energética sustentável. Na Terra, o elemento ocorre principalmente na forma ligada, na água, como gás hidrogênio, ou em matérias-primas fósseis, como gás pure e petróleo bruto. Para obter o hidrogênio em sua forma pura, ele deve ser separado do composto químico utilizando energia.

O método mais comum de produção de hidrogênio hoje é a reforma a vapor do metano do gás pure. No entanto, isso também produz dióxido de carbono (CO₂), prejudicial ao clima. Na produção catalítica de hidrogênio a partir da água, eletrodos feitos do steel precioso platina têm sido usados ​​principalmente até agora. Isso faz produção de hidrogênio por meio de catálise comparativamente caro.

Muitos microrganismos estão um passo à frente desses processos de produção. Para separar o hidrogênio e gerar energia, eles usam três tipos diferentes de hidrogenases que funcionam sem metais preciosos e não liberam CO₂: (NiFe) hidrogenases de archaea e bactérias, (FeFe) hidrogenases de bactérias, algumas algas e algumas archaea anaeróbicas, bem como (Fe) hidrogenases encontradas apenas em archaea.

Estes últimos desempenham um papel elementary na metanogênese, na qual o CO₂ é reduzido a metano (CH₄). A hidrogenase homodimérica (Fe) contém um ferro inativo redox (Fe) por subunidade, que está ligado a um cofator guanililpiridinol.

Enquanto os intermediários no ciclo catalítico das (NiFe) hidrogenases e (FeFe) hidrogenases já foram bem estudadas, os intermediários catalíticos das (Fe) hidrogenases não eram observáveis ​​- até agora. Uma equipe de pesquisa conseguiu detectar pela primeira vez os intermediários no ciclo de catálise das (Fe)-hidrogenases.

A equipe foi liderada por Stefan Glöggler (Instituto Max Planck de Ciências Multidisciplinares (MPI-NAT) e Centro de Imagem Bioestrutural de Neurodegeneração (BIN) do Centro Médico Universitário de Göttingen (UMG), Lukas Kaltschnee (MPI-NAT e BIN da UMG). , atualmente na TU Darmstadt), Christian Griesinger (MPI-NAT) e Seigo Shima (MPI para Microbiologia Terrestre), e incluiu colegas do MPI für Kohlenforschung, da Universidade de Kiel e da FAccTs GmbH.

Os pesquisadores aproveitaram o fato de que o hidrogênio ocorre como os chamados parahidrogênio e ortohidrogênio, dependendo de seu spin nuclear. Os pesquisadores mostraram que a espectroscopia de ressonância magnética nuclear resulta na amplificação do sinal quando a (Fe) hidrogenase reage com o parahidrogênio. Essa chamada polarização induzida por parahidrogênio (PHIP) possibilitou identificar os intermediários da reação e visualizar como a (Fe) hidrogenase se liga ao hidrogênio durante a catálise.

Os dados dos cientistas indicam que um hidreto é formado no centro do ferro durante a catálise. O novo método também possibilitou o estudo da cinética de ligação. Devido à sua alta sensibilidade, o PHIP é particularmente promissor para aplicação em células vivas e para investigação do metabolismo do hidrogênio in vivo. Os resultados poderão ajudar a desenvolver (bio)catalisadores para conversão de hidrogénio com maior produtividade no futuro.