Американские химики разработали новую искусственную систему фотосинтеза, которая по эффективности превосходит предыдущие фотокатализаторы. Она включает искусственные ферменты, состоящие из металл-органических каркасов и различных дополнительных соединений, улучшающих биохимические превращения. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature Catalysis.
Многие искусственные ферменты отличаются от природных тем, что они не способны осуществлять сложные химические превращения, а катализируют лишь простые реакции из-за того, что в них присутствуют аналоги только активных центров. У естественных ферментов кроме таких центров имеются кофакторы — малые соединения, которые связаны с функциональными участками молекулы и также участвуют в биохимических реакциях. К таким соединениям относят, например, одиночные аминокислоты, пигменты, НАДФ и АТФ.
Исследователи Чикагского университета разработали искусственный фермент на основе металл-органических каркасов (MOF) — соединений, состоящих из ионов металлов и связанных с ними органических молекул. Они создали каркас MOZ, состоящий из гафния и иридия и включающий активные центры с атомами железа, в виде одного слоя, чтобы обеспечить максимальную площадь поверхности для химических реакций. Затем в монослои внесли различные аминокислоты — глутамин и аспарагин, — получив различные типы каркасов, обозначенные как MOZ-2 и MOZ-3.
Полученные MOF добавляли в раствор восстановителя и тестировали при комнатной температуре, давлении углекислого газа в одну атмосферу и облучении видимым светом в течение шести часов. Активность каждого MOZ проверяли по количеству продуктов реакции — угарного газа и метана. MOZ-1 продемонстрировал семикратное увеличение эффективности по сравнению с простой смесью MOF и пигментов с атомами железа. MOZ-2 и MOZ-3 еще более активно преобразовывали углекислый газ, чем их предшественник.
Авторы изучили механизмы, которые играют важную роль в эффективности искусственных ферментов, и выяснили, что одним из важных факторов является стабильность водородной связи между углекислым газом и аминокислотами аспарагин и глутамин. На основе этого была создана MOZ-4, к которой присоединены боковые группы на основе мочевины, что позволило повысить активность катализатора в 27 раз. Дополнительно был создан катализатор фотоокисления воды MOZ-7 с боковыми амидными группами. Комбинация MOZ-4 и MOZ-7 позволила достигнуть полного искусственного фотосинтеза (1 + n)CO2 + 2H2O → CH4 + nCO + (2 + n/2)O2, превзойдя известные фотокатализаторы по эффективности более чем на порядок.
По словам ученых, для промышленного получения природного газа потребуется масштабирование реакции на несколько порядков, поэтому говорить о таком практическом применении искусственных ферментов пока еще рано. Однако разработка может оказаться полезной для производства фармацевтических препаратов или, например, нейлона.