Al igual que el poeta, los microbios que producen metano llevan a los químicos a un camino menos transitado: de dos ideas en competencia sobre cómo los microbios hacen el componente principal del gas natural, la reacción química ganadora involucra una molécula menos favorecida por investigaciones anteriores, algo llamadoradical metilo
Reportado hoy en la revista ciencia , el trabajo es importante para comprender no solo cómo se hace el metano, sino también cómo sacarle provecho.
"El metano es una sustancia interesante porque es tanto un combustible fósil como un combustible potencialmente renovable que puede provenir de microbios", dijo la directora del estudio Stephen Ragsdale de la Universidad de Michigan, Ann Arbor. "Además, un conocimiento detallado de los pasos químicosparticipar en la fabricación de metano podría conducir a grandes avances en el diseño de catalizadores energéticamente eficientes para convertir el metano en combustibles líquidos y otros productos químicos ".
Este estudio demuestra uno de los pocos casos conocidos de la naturaleza que utiliza un radical metilo altamente reactivo en sus maquinaciones biológicas.
"Estábamos totalmente sorprendidos", dijo la química computacional Simone Raugei, coautora del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "Pensamos que encontraríamos evidencia de otros mecanismos".
historia de los orígenes
Más del 90 por ciento del metano es y ha sido generado por microbios conocidos como metanógenos, que son miembros de las arqueas, un grupo de microbios que son similares a las bacterias. Para producir el gas, los metanógenos usan una proteína particular conocida comouna enzima. Las enzimas ayudan a las reacciones químicas en los organismos vivos como lo hacen los catalizadores sintéticos en las conversiones químicas industriales. Además, la enzima puede ejecutar la reacción a la inversa para descomponer el metano para el consumo de energía.
Los científicos saben mucho acerca de esta enzima microbiana. Crea el gas combustible al golpear un átomo de hidrógeno en una molécula llamada grupo metilo. Un grupo metilo contiene tres hidrógenos unidos a un átomo de carbono, solo un hidrógeno sin metano..
Para generar metano, la enzima extrae el grupo metilo de una molécula auxiliar llamada metilcoenzima M. El trabajo de la coenzima M es colocar el grupo metilo en el lugar correcto de la enzima. Lo que hace que el lugar sea el correcto es un níquel perfectamente posicionadoátomo, que es en gran parte responsable de transferir el último hidrógeno.
Sin embargo, cómo el átomo de níquel hace esto se ha debatido durante décadas en el mundo altamente complejo de las reacciones químicas. Diferentes caminos posibles crean diferentes moléculas intermedias efímeras y efímeras, pero la reacción ocurre demasiado rápido para que los científicos puedan distinguirlas.
El camino al que más se han asociado los químicos involucra al átomo de níquel en la enzima que ataca directamente al grupo metilo y lo roba de la coenzima M. La molécula de metil-níquel existe temporalmente, hasta que el metilo a su vez roba un átomo de hidrógeno de otra molécula enel espacio de trabajo de la enzima, la coenzima B, y se convierte en metano.
Muchos experimentos apoyan esta idea, que crea una molécula intermedia de metil-níquel.
Una segunda posibilidad, según un grupo mucho más pequeño de partidarios, es a través de un radical metilo. Los radicales también conocidos como radicales libres son moléculas inestables que tienen un electrón no apareado. Pueden causar mucho daño al romper los enlaces más débiles en las moléculas.
Es ese electrón no apareado el que causa problemas. Los enlaces entre átomos involucran rutinariamente dos electrones, como un par de bailarines de salón. El electrón no emparejado hará todo lo que esté en su poder para encontrar un segundo, tal como lo hará un solo bailarín en busca de un compañerocortar en otra pareja.
En este camino hacia el metano, el átomo de níquel se une a un átomo de azufre en la coenzima M en lugar del grupo metilo. Esto elimina el metilo y lo envía sin un electrón. Hambriento e irritado, el radical metilo engancha inmediatamente un átomo de hidrógenode la coenzima B, que genera metano.
Proceso de eliminación
Para averiguar qué mecanismo era correcto, el equipo de investigadores de UM-PNNL ideó una forma de descartar uno u otro. Lo primero que tuvieron que hacer fue ralentizar la reacción. La ralentizaron mil vecescojeando la segunda mitad del camino hacia el metano, después de que el intermedio cobró vida. Al hacerlo, deje que el intermedio se acumule.
Luego, realizaron un análisis bioquímico llamado espectroscopía de resonancia paramagnética de electrones en la Universidad de Michigan que les permitió distinguir entre las dos moléculas intermedias. Si la reacción creara la molécula de metil-níquel, el metil-níquel aparecería como un blip ensu sistema EPR. Si la reacción creara un radical metilo que se separara, la molécula que quedaba con la proteína, el níquel unido a la coenzima M, no se registraría en absoluto.
El equipo no encontró ninguna falla en el perfil de EPR de los productos posteriores a la reacción, lo que hizo que el radical metilo sea el intermediario más probable. Pero, para estar seguros, el equipo realizó análisis bioquímicos adicionales que descartaron otras moléculas potenciales. También realizaron otroprueba bioquímica y mostró que la estructura del intermediario principal era el níquel adherido a la coenzima M, el resultado esperado si las reacciones tomaban el camino del radical metilo.
"El impacto de los radicales en la materia viva, como el material biológico, puede ser devastador, y la participación de un radical metilo, uno de los radicales más inestables, es realmente sorprendente", dijo Raugei, "para que esto suceda y produzca metanoEl 100 por ciento de las veces, la proteína tiene que realizar y controlar esta reacción con un grado extremadamente alto de precisión, colocando ese radical metilo específicamente al lado de un solo átomo: el átomo de hidrógeno unido al azufre de la coenzima B. "
bloque de energía
Para corroborar aún más sus resultados, el equipo modeló la reacción computacionalmente. Acercaron la acción dentro de la enzima, conocida como metilcoenzima M reductasa.
"Descubrimos que el radical metilo requería la menor cantidad de energía para producir, haciendo que ese mecanismo fuera el favorito una vez más", dijo Bojana Ginovska, un científico computacional en el equipo de PNNL.
De hecho, uno de los otros intermedios requirió el triple de energía para producirse, en comparación con el radical metilo, lo que claramente lo dejó fuera de funcionamiento.
Modelar la reacción computacionalmente también permitió al equipo mirar dentro de la reductasa. Los experimentos mostraron que la reacción ocurre más rápido a temperaturas más altas y por qué: las partes de la proteína que ayudaron a mover la reacción acercarían el níquel a la metilcoenzima MLas distancias más cortas permitieron que las cosas sucedieran más rápido.
El equipo utilizó recursos informáticos de alto rendimiento en dos instalaciones de usuarios científicos del DOE: EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales en PNNL, y NERSC, el Centro Nacional de Computación de Investigación de Energía, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Los resultados podrían ayudar a los investigadores, incluidos Ragsdale y Raugei, a aprender a controlar la síntesis de metano, ya sea en el laboratorio o en las bacterias que la producen en lugares como el Ártico, y cómo descomponerla.
"La naturaleza ha diseñado un armazón de proteínas que funciona de manera muy precisa, eficiente y rápida, tomando un grupo metilo simple y un átomo de hidrógeno aparentemente inocente y convirtiéndolo en metano, además de ejecutar esa reacción en ambas direcciones", dijo Ragsdale. "Ahora¿Cómo pueden los químicos diseñar un andamio para lograr resultados similares? "
"Sería un gran avance si pudiéramos idear una estrategia biomimética para activar el metano, lo que significa convertirlo en combustibles más útiles", dijo Raugei. "Si la naturaleza descubriera cómo hacerlo en condiciones suaves, entoncesquizás podamos idear una forma económica de diseñar catalizadores para convertir el metano en combustibles líquidos como lo usamos en nuestros vehículos y aviones ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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