July 21, 2024

Elektrolytische koolstofdioxide-afvang: een microbieel experiment

Gasconversieproces via een op elektrodes gebaseerde enzymatische reactie

Afbeelding: Gasconversieproces via een op elektrodes gebaseerde enzymatische reactie. Een uit de microbe geëxtraheerd enzym, bevestigd aan een grafietelektrode, kan worden gebruikt om het broeikasgas koolstofdioxide om te zetten in formiaat, een molecuul dat kan worden gebruikt als veilige energieopslag of als basis voor chemische synthese. De twee moleculen worden weergegeven als ballen en stokjes (koolstofatomen in grijs, zuurstofatomen in rood). De eiwitstructuur van het methanogeen Methanothermobacter wolfeii wordt weergegeven als een lichtblauw oppervlak om het enzym te illustreren. De energie die de paal nodig heeft, kan afkomstig zijn van hernieuwbare energiebronnen.
Landschap meer

Bron: of. Lemir, M. Belhamri en T. Wagner/Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie

Zoeken naar micro-organismen die koolstofdioxide efficiënt opvangen2
“Enzymen die door micro-organismen worden gebruikt, zijn een geweldige speeltuin voor wetenschappers, omdat ze zeer specifieke reacties met hoge snelheden mogelijk maken”, zegt Tristan Wagner, hoofd van de Max Planck Research Group for Microbiële Metabolisme bij het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie (MPIMM). Sommige van deze enzymen hebben een interessante manier om kooldioxide op te vangen2: Ze zetten het om in formiaat, een stabiele en veilige verbinding die kan worden gebruikt om energie op te slaan of om verschillende moleculen te vervaardigen voor industriële of farmaceutische doeleinden. Een voorbeeld is Methermicoccus shengliensis, een methanogeen (methaanproducerende microbe) geïsoleerd uit een olieveld en groeit bij 50°C. Het is de afgelopen jaren gekweekt en bestudeerd door Julia Kurth en Cornelia Felt aan de Radboud Universiteit in Nederland. Bij het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie ontleedden Olivier Lemire, Melissa Belhamri en Tristan Wagner een microbe om de koolstofdioxide ervan te vinden.2– Vang het enzym op en meet hoe snel en efficiënt koolstofdioxide wordt omgezet2.

een bedrijf2– Omzettend enzym met groot potentieel
Wetenschappers van Max Planck namen de moeilijke taak op zich om het microbiële enzym te isoleren. “Omdat we wisten dat dergelijke enzymen gevoelig zijn voor zuurstof, moesten we in een anaerobe tent zonder omgevingslucht werken om ze van andere eiwitten te scheiden – erg ingewikkeld, maar het is ons gelukt”, zegt Olivier Lemire. Eenmaal geïsoleerd bepaalden wetenschappers de eigenschappen van het enzym. Ze toonden aan dat het op efficiënte wijze formiaat uit kooldioxide genereert2 Maar het werkt averechts, tegen een zeer laag tempo en met slechte rendementen. “Het is algemeen bekend dat vergelijkbare enzymen die tot de formiaatdehydrogenasefamilie behoren, in beide richtingen werken, maar we hebben aangetoond dat het enzym in Methermicoccus hengliensis bijna unidirectioneel is en formiaat niet efficiënt kan omzetten in kooldioxide.2“, zegt Melissa Belhamri. “We waren erg enthousiast over dit fenomeen, dat alleen optreedt bij afwezigheid van zuurstof”, voegt ze eraan toe. “Omdat formiaat gegenereerd uit kooldioxide2-De installatie kan niet meer worden omgebouwd en stapelt zich dus op. Zo’n systeem zou een zeer interessant filter voor kooldioxide zijn2“Vastleggen, vooral als we het op een elektrode kunnen aftakken”, benadrukt Tristan Wagner. Het voordeel: omdat het enzym op natuurlijke of chemische wijze aan een elektrode bindt, genereert het de ‘energie’ die nodig is om koolstofdioxide op te vangen.2 Het wordt rechtstreeks via de elektrode aangesloten, zonder verlies van elektrische stroom of de noodzaak van dure of giftige chemische verbindingen als relais. Aldus zijn enzymgekoppelde elektroden efficiënte en aantrekkelijke systemen voor gasconversieprocedures. Het gezuiverde enzym werd dus naar de Universiteit van Genève gestuurd voor CO2-bereiding op basis van elektrodes2-Capture-systeem.

Gasconversie met behulp van elektriciteit
Salihan Shaheen en Ross Milton van de Universiteit van Genève zijn gespecialiseerd in elektrochemie. Ze gebruiken elektroden die zijn aangesloten op een elektrische stroom om chemische reacties uit te voeren. Elektrode-gebaseerde formiaatgeneratie uit kooldioxide2 Vaak zijn er verontreinigende mineralen en sporenelementen nodig. Daarom probeerden ze deze mineralen te vervangen door het enzym dat werd geëxtraheerd uit de groep van Tristan Wagner bij MPIMM. Het proces van het binden van het enzym aan de elektrode verloopt niet altijd zo efficiënt als verwacht, maar het enzym uit Wagners onderzoeksgroep heeft specifieke eigenschappen die het proces kunnen vergemakkelijken. Wetenschappers uit Zwitserland konden het enzym aan een grafietelektrode bevestigen, waar het het gasconversieproces uitvoerde. De gemeten snelheden waren vergelijkbaar met die verkregen met behulp van klassieke formiaatdehydrogenase. “De kracht van dit biologische systeem, gekoppeld aan de elektrode, ligt in de efficiëntie bij het overbrengen van elektronen van elektriciteit naar de omzetting van koolstofdioxide”, benadrukt Lemaire. Shaheen en Milton bevestigden ook dat het systeem de omgekeerde reactie slecht uitvoert, zoals eerder werd waargenomen in de reactiebuis. Als gevolg hiervan zette de continu gemodificeerde elektrode broeikasgassen om in een formatie zonder enige waarneembare bijproducten of verlies van elektrische stroom.

Op weg naar een nieuwe oplossing voor koolstofdioxide in de atmosfeer2 uitbuiten
Het gezamenlijke werk biedt een nieuw moleculair hulpmiddel voor de wetenschappelijke gemeenschap: een enzym dat kooldioxide omzet2 Hierdoor wordt elektriciteit met een hoog rendement overgedragen. Hernieuwbare groene energie (zoals wind- of zonne-energie) kan elektriciteit leveren voor het op elektrodes gebaseerde systeem dat koolstofdioxide omzet2 Een molecuul vormen dat direct kan worden gebruikt in toepassingen of voor energieopslag. “Vóór ons had niemand ooit geprobeerd een enzym uit dit methanogeen te bestuderen voor gasconversie via elektrodes”, zegt Tristan Wagner. “Methanogenen zijn echter uitstekende aardgasconverters.” Hoe krachtig enzymen ook kunnen zijn, het gebruik van enzymen in grootschalige processen zal ook vergelijkbare enzymproductiesystemen vereisen, wat een aanzienlijke investering is. Hoewel de ontdekte strategie in theorie de CO2-omzetting aanzienlijk zou kunnen verbeteren, is diepgaande kennis van het enzymmechanisme noodzakelijk voordat deze wordt toegepast, en het team van onderzoekers zal nu de moleculaire geheimen van de reactie diepgaand moeten ontleden.


Vrijwaring: AAAS en EurekAlert! Wij zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van de nieuwsbrieven die op EurekAlert! Via bijdragende instellingen of om informatie te gebruiken via het EurekAlert-systeem.