16.11.2012

Обновлённый фермент конвертирует диоксид углерода в метан

В Массачусетском технологическом институте (США) спроектировали первый одиночный биологический катализатор, способный конвертировать диоксид углерода в возобновляемую форму энергии — метан. Интересно, что этот же фермент может обращать тот же диоксид углерода в важнейший компонент промышленных полимеров.

Переработка CO₂ в любые формы полезного топлива, такие как метанол (CH₃ или метан CH₄), — настоящая идея фикс многих последователей культа парникового эффекта и возобновляемых энергетических источников. Однако эта проблема всегда считалась одной из самых неподъёмных из-за высочайшей химической инертности CO₂, не желающего вступать в химические реакции. Для того чтобы всё-таки заставить ленивую молекулу принять участие в восстановительных процессах, конвертирующих диоксид углерода в метан и другие полезные малые молекулы (муравьиную кислоту, например), были созданы специальные металлорганические катализаторы. К сожалению, их эффективность и надёжность никак не позволяет найти им практическое применение. С другой стороны, бактерии, эти природные химические заводики невероятной производительности, способны утилизировать CO₂, конвертируя его в тот самый метан, но даже им требуется для этого целый набор различных ферментов, чтобы катализировать длинную цепочку превращений. Ни тот ни другой подход, очевидно, не может считаться практически приемлемым, а потому учёным понадобилась смекалка...

...И Лэнс Сифелдт (Lance Seefeldt) с коллегами из Университета Юты её применил. Долгое время они занимались изучением бактериального фермента нитрогеназы, катализирующего восстановление азота (N₂) до аммиака (NH₃) посредством активного металлического кластера, который содержит молибден и железо. Помимо своей уникальной способности фиксировать атмосферный азот, этот фермент знаменит ещё и низкой субстратной специфичностью и вместо азота может восстанавливать другие соединения с тройной связью. Формально восстановление диоксида углерода до метана требует переноса 8 электронов — точно так же, как это происходит при восстановлении азота до аммиака. Это сходство заставило учёных задуматься над созданием модифицированной версии нитрогеназы, которая могла бы принять и восстановить CO₂.

Ремоделирование старого фермента обошлось малой кровью: были заменены две аминокислоты в одном из индивидуальных протеиновых фрагментов нитрогеназы. Итоговый обновлённый катализатор получил возможность конвертировать диоксид углерода в метан. Процесс протекает с постоянной скоростью в течение двадцати минут, после чего начинается замедление. В среднем скорость катализируемой новым ферментом реакции и число циклов сравнимы с показателями растворимых металлорганических катализаторов, что совсем неплохо для начала и особенно для первой модели.

Настоящим сюрпризом стал тот факт, что новый катализатор обрёл возможность активировать гораздо более сложное превращение, а именно синтез пропилена из CO₂ и ацетилена. Это превращение является совершенно новым как для неорганических, так и для органических/биологических катализаторов. Сам пропилен используется химической промышленностью для производства полимеров и пластмасс.

Тем не менее группа г-на Сифелдта не собирается делать из своего первенца основу для каких-либо индустриальных процессов. На этом и других подобных примерах (моделях) учёные намерены разобраться в деталях и нюансах работы протеина, чтобы наконец-то научиться создавать на его основе такие катализаторы, которые могли бы взять на себя не только выработку метана в промышленных масштабах, но и производство более сложных молекул. Цель благородная и вполне интригующая, а главное — по-видимому, достижимая.

Подробный отчёт о работе опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Science.

Подготовлено по материалам Ars Technica.

Роман Иванов

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА