Este catalizador alimentado por luz imita la fotosíntesis

Al imitar la fotosíntesis, el proceso dependiente de la luz que utilizan las plantas para producir azúcares, los investigadores del MIT han diseñado 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 realizar reacciones que pueden ser útiles para la síntesis de 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 fabricación de productos farmacéuticos, agroquímicos y combustibles sea más eficiente y respetuosa con el medio ambiente”, dice Gabriella Schlow-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 podría aumentar significativamente el rendimiento de las reacciones químicas con las que experimentaron. También demostraron que, a diferencia de los fotocatalizadores existentes, su nuevo catalizador puede absorber todas las longitudes de onda de la 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 de la luz. Esto les permite catalizar reacciones que no pueden ocurrir sin ese aporte adicional de energía.

«En la fotocatálisis, el catalizador absorbe energía luminosa para pasar a un estado electrónico mucho más excitado. Con esa energía, introduce una reacción que consumiría mucha energía si todo lo que estuviera disponible fuera energía del estado fundamental», dice Schlaw Cohen.

Esto es similar a lo que hacen las plantas durante la fotosíntesis. La maquinaria de fotosíntesis de las células vegetales incluye pigmentos que absorben la luz, como la clorofila, que capturan fotones de la luz solar. Luego, esta energía se transfiere a otras proteínas que almacenan energía, como el ATP, y esta energía se utiliza para producir carbohidratos.

En trabajos anteriores sobre fotocatalizadores, los investigadores utilizaron una sola molécula para realizar tanto la absorción como la estimulación de la luz. 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 realizar tanto la recolección de luz como la catálisis, no puedes optimizar ambas cosas a la vez», dice Schlow-Cohen. «Es por eso que los sistemas naturales los separan. En la fotosíntesis, hay una estructura personalizada donde algunas proteínas recolectan luz y luego transfieren esa energía directamente a las proteínas que hacen el catalizador».

Para crear un nuevo catalizador biohíbrido, los investigadores decidieron simular la fotosíntesis y combinar dos componentes separados: uno para recolectar luz y otro para catalizar una reacción química. Para el componente de captación de luz, utilizaron una proteína llamada R-ficoeritrina (RPE), que se encuentra en las algas rojas. Vincularon esta proteína a un catalizador que contenía rutenio, que se había utilizado anteriormente solo en fotocatálisis.

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 una proteína recolectora de luz puede capturar la luz de manera efectiva y transmitirla al catalizador. A continuación, los investigadores de Princeton dirigidos por David MacMillan, profesor de química y reciente premio Nobel de química, probaron el rendimiento del catalizador en dos tipos diferentes de reacciones químicas. Uno es un acoplamiento tiol-en, que une un tiol a un alqueno para formar un tioéter, y el otro reemplaza el grupo tiol restante con un metilo después del acoplamiento peptídico.

El equipo de Princeton ha demostrado que el nuevo biocatalizador híbrido puede aumentar el rendimiento de estas reacciones hasta diez veces, en comparación con un fotocatalizador de rutenio solo. También encontraron que las reacciones pueden ocurrir bajo iluminación con luz roja, lo cual es difícil de lograr con los fotocatalizadores existentes y es beneficioso porque produce menos reacciones secundarias no deseadas y es menos dañino para los tejidos, por lo que puede usarse en sistemas biológicos.

síntesis química

Este fotocatalizador mejorado se puede incorporar en procesos químicos utilizando las dos reacciones probadas en este estudio, dicen los investigadores. El acoplamiento de tiol-eno es útil para crear compuestos que se utilizan para la obtención de imágenes y detección de proteínas, la administración de fármacos y la estabilización biomolecular. Por ejemplo, se utiliza para sintetizar lipopéptidos que pueden permitir una absorción más fácil de un candidato a vacuna antigénica. La otra reacción que probaron los investigadores, la desulfuración de cisteinilo, tiene muchas aplicaciones en la síntesis de péptidos, incluida la producción de infurvitida, un fármaco que se puede utilizar para tratar el VIH.

Este tipo de fotocatalizador también se puede utilizar para catalizar 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 cambiar diferentes proteínas y catalizadores ligeros para adaptar su enfoque a una variedad de reacciones químicas.

«Hemos realizado una prueba de principio en la que se puede separar la recolección de luz y la función catalítica. Ahora queremos pensar en cambiar la pieza catalítica y cambiar la pieza de recolección de luz para expandir este conjunto de herramientas, para ver si este enfoque puede funcionar en diferentes disolventes y en diferentes reacciones ”, dice Shlow Cohen.