Al imitar la fotosíntesis, el proceso impulsado por la luz que utilizan las plantas para producir azúcares, los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo tipo de fotocatalizador que puede absorber la luz y utilizarla para impulsar una variedad de reacciones químicas.
El nuevo tipo de catalizador, conocido como fotocatalizador biohíbrido, contiene una proteína recolectora de luz que absorbe la luz y transfiere energía a un catalizador que contiene metal. Este catalizador luego usa la energía para llevar a cabo reacciones que pueden ser útiles para sintetizar productos farmacéuticos o convertir productos de desecho en biocombustibles u otros compuestos útiles.
“Al reemplazar las condiciones nocivas y los reactivos con luz, la fotocatálisis puede hacer que la síntesis de combustibles, agroquímicos y farmacéuticos sea más eficiente y compatible con el medio ambiente”, dice Gabriela Schlau-Cohen, profesora asociada de química en el MIT y autora principal del nuevo estudio.
Trabajando con colegas de la Universidad de Princeton y la Universidad Estatal de Carolina del Norte, los investigadores demostraron que el nuevo fotocatalizador puede aumentar significativamente el rendimiento de las reacciones químicas con las que han experimentado. También demostraron que, a diferencia de los fotocatalizadores existentes, su nuevo catalizador puede absorber todas las longitudes de onda de luz.
Paul Cesana, estudiante de posgrado del MIT, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en la revista. Chem.
reacciones de alta energía
La mayoría de los catalizadores aceleran las reacciones al reducir la barrera de energía necesaria para que se produzca la reacción. En los últimos 20 años aproximadamente, los químicos han logrado grandes avances en el desarrollo de fotocatalizadores, catalizadores que pueden absorber energía luminosa. Esto les permite catalizar reacciones que no podrían haber tenido lugar sin este aporte extra de energía.
“En la fotocatálisis, el catalizador absorbe energía luminosa para entrar en un estado electrónico mucho más excitado. Y a través de esa energía, introduce una reactividad que sería prohibitivamente intensiva en energía si todo lo que estuviera disponible fuera energía del estado fundamental ”, dice Schlau-Cohen.
Esto es análogo a lo que hacen las plantas durante la fotosíntesis. La maquinaria fotosintética de las células vegetales incluye pigmentos que absorben la luz, como la clorofila, que capturan fotones de la luz solar. Esa energía luego se transfiere a otras proteínas que almacenan energía como el ATP, y esa energía se usa para producir carbohidratos.
En trabajos anteriores sobre fotocatalizadores, los investigadores utilizaron una molécula para llevar a cabo la absorción de luz y la catálisis. Este enfoque tiene limitaciones, porque la mayoría de los catalizadores utilizados solo pueden absorber ciertas longitudes de onda de luz y no absorben la luz de manera eficiente.
“Cuando tienes una molécula que necesita recolectar luz y catálisis, no puedes optimizar simultáneamente para ambas”, dice Schlau-Cohen. “Es por eso que los sistemas naturales los separan. En la fotosíntesis, hay una arquitectura dedicada donde algunas proteínas recolectan luz y luego canalizan esta energía directamente a las proteínas que hacen la catálisis. «
Para crear su nuevo catalizador biohíbrido, los investigadores decidieron imitar la fotosíntesis y combinar dos elementos separados: uno para recolectar luz y otro para catalizar la reacción química. Para el componente de captación de luz, utilizaron una proteína llamada R-ficoeritrina (RPE), que se encuentra en las algas rojas. Unieron esta proteína a un catalizador que contenía rutenio, que ya se había utilizado para fotocatálisis por sí solo.
Trabajando con investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte dirigidos por el profesor de química Felix Castellano, el laboratorio de Schlau-Cohen demostró que la proteína recolectora de luz puede capturar la luz de manera efectiva y transferirla al catalizador. A continuación, investigadores de la Universidad de Princeton dirigidos por David MacMillan, profesor de química y reciente ganador del Premio Nobel de Química, probaron el rendimiento del catalizador en dos tipos diferentes de reacciones químicas. Uno es un acoplamiento tiol-eno, que une un tiol y un alqueno para formar un tioéter, y el otro reemplaza un grupo tiol restante con metilo después de acoplar el péptido.
El equipo de Princeton demostró que el nuevo catalizador biohíbrido puede aumentar el rendimiento de estas reacciones hasta diez veces en comparación con el fotocatalizador de rutenio solo. También encontraron que las reacciones pueden ocurrir bajo iluminación de luz roja, lo que ha sido difícil de lograr con fotocatalizadores existentes y es beneficioso porque produce menos reacciones secundarias no deseadas y es menos dañino para los tejidos, por lo que podría potencialmente usarse en sistemas biológicos.
síntesis química
Este fotocatalizador mejorado se puede incorporar en procesos químicos que utilizan las dos reacciones probadas en este estudio, dicen los investigadores. El acoplamiento de tiol-eno es útil para crear compuestos utilizados en la detección y formación de imágenes de proteínas, la administración de fármacos y la estabilidad de biomoléculas. Por ejemplo, se utiliza para sintetizar lipopéptidos que pueden permitir una absorción más fácil de candidatos a vacunas antigénicas. La otra reacción que probaron los investigadores, la desulfuración de cisteinilo, tiene muchas aplicaciones en la síntesis de péptidos, incluida la producción de enfurvitida, un fármaco que podría usarse para tratar el VIH.
Este tipo de fotocatalizador también se puede utilizar para generar una reacción llamada despolimerización de lignina, que puede ayudar a generar biocombustibles a partir de madera u otros materiales vegetales difíciles de descomponer.
Los investigadores ahora planean intentar intercambiar diferentes proteínas recolectoras de luz y catalizadores para adaptar su enfoque a una variedad de reacciones químicas.
“Hicimos una prueba de principio en la que se puede separar la recolección de luz y la función catalítica. Ahora queremos pensar en variar la parte catalítica y la parte recolectora de luz para expandir este conjunto de herramientas, para ver si este enfoque puede funcionar en diferentes solventes y en diferentes reacciones ”, dice Schlau-Cohen.
Este trabajo fue financiado como parte del Centro de Investigación Fronteriza de Energía Química Escalada por Luz Bioinspirada (BioLEC), financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.
