Imitando la fotosintesi, il processo dipendente dalla luce che gli impianti utilizzano per produrre zuccheri, i ricercatori del MIT hanno progettato un nuovo tipo di fotocatalizzatore in grado di assorbire la luce e utilizzarla per guidare una varietà di reazioni chimiche.

Il nuovo tipo di catalizzatore, noto come fotocatalizzatore bioibrido, contiene una proteina che raccoglie la luce che assorbe la luce e trasferisce energia a un catalizzatore contenente metallo. Questo catalizzatore utilizza quindi l’energia per eseguire reazioni che possono essere utili per la sintesi di prodotti farmaceutici o convertire i prodotti di scarto in biocarburanti o altri composti utili.

“Sostituendo le condizioni e i reagenti dannosi con la luce, la fotocatalisi può rendere la produzione di prodotti farmaceutici, prodotti agrochimici e combustibili più efficiente e rispettosa dell’ambiente”, afferma Gabriella Schlow-Cohen, professoressa associata di chimica al MIT e autrice principale del nuovo studio.

Lavorando con i colleghi della Princeton University e della North Carolina State University, i ricercatori hanno dimostrato che il nuovo fotocatalizzatore potrebbe aumentare significativamente la resa delle reazioni chimiche sperimentate. Hanno anche dimostrato che, a differenza dei fotocatalizzatori esistenti, il loro nuovo catalizzatore può assorbire tutte le lunghezze d’onda della luce.

Paul Cesana, uno studente laureato al MIT, è l’autore principale dell’articolo apparso oggi sulla rivista chimica.

reazioni ad alta energia

La maggior parte dei catalizzatori accelera le reazioni abbassando la barriera energetica necessaria per il verificarsi della reazione. Negli ultimi 20 anni circa, i chimici hanno fatto grandi passi avanti nello sviluppo di fotocatalizzatori, catalizzatori in grado di assorbire energia dalla luce. Ciò consente loro di catalizzare reazioni che non possono verificarsi senza quell’apporto aggiuntivo di energia.

“Nella fotocatalisi, il catalizzatore assorbe l’energia della luce per passare a uno stato elettronico molto più eccitato. Con quell’energia, introduce una reazione che consumerebbe molta energia se tutto ciò che fosse disponibile fosse l’energia dello stato fondamentale”, afferma Schlaw Cohen.

Questo è simile a ciò che fanno le piante durante la fotosintesi. Il macchinario della fotosintesi delle cellule vegetali include pigmenti che assorbono la luce come la clorofilla che catturano i fotoni dalla luce solare. Questa energia viene quindi trasferita ad altre proteine ​​che immagazzinano energia come l’ATP e questa energia viene quindi utilizzata per produrre carboidrati.

In precedenti lavori sui fotocatalizzatori, i ricercatori hanno utilizzato una singola molecola per eseguire sia l’assorbimento che la stimolazione della luce. Questo approccio ha dei limiti, perché la maggior parte dei catalizzatori utilizzati può assorbire solo determinate lunghezze d’onda della luce e non assorbe la luce in modo efficiente.

“Quando hai una molecola che deve fare sia la raccolta della luce che la catalisi, non puoi ottimizzare entrambe le cose insieme”, dice Schlow-Cohen. “Ecco perché i sistemi naturali li separano. Nella fotosintesi, c’è una struttura personalizzata in cui alcune proteine ​​raccolgono la luce e poi trasferiscono quell’energia direttamente alle proteine ​​che fanno il catalizzatore”.

Per creare un nuovo catalizzatore bio-ibrido, i ricercatori hanno deciso di simulare la fotosintesi e combinare due componenti separati: uno per raccogliere la luce e uno per catalizzare una reazione chimica. Per il componente che raccoglie la luce, hanno usato una proteina chiamata R-ficoeritrina (RPE), che si trova nelle alghe rosse. Hanno collegato questa proteina a un catalizzatore contenente rutenio, che era stato precedentemente utilizzato solo nella fotocatalisi.

Lavorando con i ricercatori della North Carolina State University guidati dal professore di chimica Felix Castellano, il laboratorio di Schlau-Cohen ha dimostrato che una proteina che raccoglie la luce può catturare efficacemente la luce e trasmetterla al catalizzatore. Successivamente, i ricercatori di Princeton guidati da David MacMillan, professore di chimica e recente premio Nobel per la chimica, hanno testato le prestazioni del catalizzatore in due diversi tipi di reazioni chimiche. Uno è un accoppiamento tiolo-en, che collega un tiolo a un alchene per formare un tioetere, e l’altro sostituisce il gruppo tiolo rimanente con un metile dopo l’accoppiamento peptidico.

Il team di Princeton ha dimostrato che il nuovo biocatalizzatore ibrido può aumentare la resa di queste reazioni fino a dieci volte, rispetto a un fotocatalizzatore al rutenio da solo. Hanno anche scoperto che le reazioni possono verificarsi sotto l’illuminazione con luce rossa, che è difficile da ottenere con i fotocatalizzatori esistenti ed è vantaggioso perché produce meno reazioni collaterali indesiderate ed è meno dannoso per i tessuti, quindi può essere utilizzato nei sistemi biologici.

sintesi chimica

Questo fotocatalizzatore migliorato può essere incorporato nei processi chimici utilizzando le due reazioni testate in questo studio, affermano i ricercatori. L’accoppiamento tiolo-ene è utile per creare composti utilizzati per l’imaging e il rilevamento delle proteine, la somministrazione di farmaci e la stabilizzazione biomolecolare. Ad esempio, viene utilizzato per sintetizzare lipopeptidi che possono consentire un più facile assorbimento di un candidato vaccino antigenico. L’altra reazione testata dai ricercatori, la desolforazione della cisteina, ha molte applicazioni nella sintesi dei peptidi, inclusa la produzione di infurvitide, un farmaco che può essere usato per curare l’HIV.

Questo tipo di fotocatalizzatore può essere utilizzato anche per catalizzare una reazione chiamata depolimerizzazione della lignina, che può aiutare a generare biocarburanti dal legno o da altri materiali vegetali difficili da decomporre.

I ricercatori hanno ora in programma di provare a sostituire diverse proteine ​​e catalizzatori luminosi per adattare il loro approccio a una varietà di reazioni chimiche.

“Abbiamo fatto una prova di principio in cui è possibile separare la raccolta della luce e la funzione catalitica. Ora vogliamo pensare di cambiare il pezzo catalitico e cambiare il pezzo di raccolta della luce per espandere questo kit di strumenti, per vedere se questo approccio può funzionare in diversi solventi e in diverse reazioni”, afferma Shlow Cohen.