Las enzimas como fuente de inspiración para el desarrollo de nuevos fotocatalizadores sostenibles.

Recientemente se ha reportado un fotocatalizador híbrido biológico/inorgánico para la reducción de dióxido de carbono a ácido fórmico en medio acuoso.

Autores: Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. CSIC

Las enzimas son los catalizadores biológicos presentes en todas las formas de vida y que permiten que tengan lugar con la velocidad adecuada y de forma específica las reacciones necesarias para el metabolismo. Las enzimas están conformadas por una estructura proteica y un centro activo donde reside su función catalítica. Millones de años de evolución han asegurado que sean catalizadores muy eficientes y selectivos en condiciones fisiológicas, es decir en medio acuoso, temperatura y presión ambientales.

Teniendo en cuenta sus magníficas propiedades catalíticas, desde hace varias décadas se ha estudiado la aplicación de las enzimas para diferentes procesos industriales, lo cual se conoce como biocatálisis. Son numerosos los casos de éxito en los cuales diferentes tipos de enzimas se utilizan industrialmente como aditivos en detergentes para degradación de grasas y proteínas, catalizadores en síntesis de fármacos o aditivos alimentarios, blanqueo de textiles, etc.

Un tipo particular de enzimas son las que se conocen como metaloenzimas redox, ya que catalizan reacciones de oxidación/reducción y contienen en su centro catalítico metales. Lo que hace especialmente interesante a esta clase de enzimas es que son capaces de catalizar de forma específica, con bajo sobrepotencial  y en condiciones suaves reacciones de gran interés en aplicaciones energéticas, como la producción y oxidación de hidrógeno, la reducción de oxígeno, la oxidación del agua, la reducción de dióxido de carbono o la reducción de nitrógeno a amoniaco. Además, catalizan todas estas reacciones conteniendo en su centro activo metales abundantes como el hierro o el cobre, u otros metales no nobles. La naturaleza es sabia y ha podido desarrollar a través de la evolución natural catalizadores que no requieren metales tan escasos como platino, rodio o iridio. Por lo tanto, estas metaloenzimas sirven de modelo para la síntesis de compuestos biomiméticos que copien su estructura y/o función para obtener mejores electrocatalizadores.

En los últimos años se  está estudiando la inmovilización de algunos de estas metaloenzimas redox sobre semiconductores para obtener fotocatalizadores híbridos biológicos/inorgánicos, de modo que combinen la eficiencia de absorción de energía luminosa, preferiblemente en el espectro visible, y separación de cargas del semiconductor excitado con las propiedades catalíticas de la metaloenzima redox. De este modo, en el Instituto de Catálisis del CSIC se ha reportado recientemente  la inmovilización de una hidrogenasa sobre sulfuro de indio como fotocatalizador de la producción de hidrógeno utilizando luz visible. Ahora el grupo del Profesor Reisner de la Universidad de Cambridge ha publicado en la prestigiosa revista Angewandte Chemie la inmovilización de la enzima formiato deshidrogenasa sobre nanopartículas de dióxido de titanio modificadas con un compuesto orgánico fotosensible a la luz solar. Este fotocatalizador híbrido es capaz de reducir dióxido de carbono a ácido fórmico con una frecuencia catalítica de 11 moléculas por segundo y por molécula de enzima. Aunque esta velocidad de fotoreducción de díoxido es todavía limitada e inadecuada para aplicaciones a gran escala, supone una fuente de inspiración para nuevos métodos de revalorización del dióxido de carbono, principal gas responsable del efecto invernadero en la atmósfera terrestre.

Bibliografía

  1. M. Miller, W. E. Robinson, A. R. Oliveira, N. Heidary, N. Kornienko, J. Warnan, I. A. C. Pereira, E. Reisner. Interfacing formate-dehydrogenase with metal oxides for the reversible electrocatalysis and solar-driven reduction of carbon dioxide. Angewandte Chemie 58 (2019) 4601-4605.
  2. C. Tapia, S. Zacarias, I. A. C. Pereira, J. C. Conesa, A. L. De Lacey, M. Pita. In situ determination of photobioproduction of H2 by In2S3-[NiFeSe] hydrogenase from Desulfovibrio vulgaris Hildenborough using only visible light. ACS Catalysis 6 (2016) 5691-5698.

Contacto

 

Antonio López de Lacey, Responsable de Grupo FCF del Programa FotoArt-CM. – alopez@icp.csic.es. Coordina FotoArt-CM Víctor A. de la Peña O´Shea del Instituto IMDEA Energía.

 

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