استفاده از DNA برای تبدیل دی اکسید کربن به محصولات با ارزش

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از (سای تک دیلی)، دی اکسید کربن (CO۲) محصول مهم بسیاری از فعالیت‌های انسانی از جمله تولید صنعتی است. همچنین نقش مهمی در تغییرات آب و هوایی دارد. بنابراین، هدف اصلی در بخش انرژی تبدیل شیمیایی CO۲ منتشر شده به سوخت یا سایر مواد شیمیایی با ارزش بوده است.

اگرچه CO۲ به وفور در دسترس است، اما هنوز به طور گسترده برای تولید محصولات با ارزش افزوده استفاده نشده است. چرا که نه؟

یکی از دلایل اصلی این است که مولکول‌های CO۲ بسیار پایدار هستند. بنابراین، آن‌ها خیلی مستعد تبدیل شدن شیمیایی به شکل متفاوت نیستند. دانشمندان به دنبال مواد و طرح‌های دستگاهی بوده‌اند که می‌تواند به این تبدیل کمک کند، اما هیچ چیز هنوز به اندازه کافی برای تولید یک سیستم کارآمد و مقرون‌به‌صرفه کار نکرده است.

آریل فورست استاد توسعه شغلی ریموند (۱۹۲۱) و هلن سنت لورن در مهندسی شیمی در MIT است. دو سال پیش، او تصمیم گرفت از چیزی متفاوت استفاده کند؛ ماده‌ای که در بحث‌های زیست شناسی بیشتر از مهندسی شیمی مورد توجه قرار می‌گیرد. 

در حال حاضر، نتایج کار در آزمایشگاه او نشان می‌دهد که رویکرد غیرمعمول او نتیجه می‌دهد.

پروفسور Ariel Furst (مرکز)، Rachel Ahlmark (سمت چپ)، فوق دکترا Gang Fan (راست)، و همکارانشان در حال استفاده از مواد بیولوژیکی، از جمله DNA، برای رسیدن به تبدیل دی اکسید کربن به محصولات ارزشمند هستند

مانع‌ها و چالش‌ها

با اولین مرحله در فرآیند تبدیل CO۲ آغاز می‌شود. CO۲ قبل از تبدیل شدن به یک محصول مفید باید از نظر شیمیایی به مونوکسید کربن (CO) تبدیل شود. الکتروشیمی، فرآیندی که در آن ولتاژ ورودی انرژی اضافی مورد نیاز برای واکنش مولکول‌های CO۲ پایدار را فراهم می‌کند، می‌تواند این تبدیل را تقویت کند.

مشکل این است که دستیابی به تبدیل CO۲ به CO نیاز به ورودی‌های انرژی زیادی دارد - و حتی در این صورت، CO تنها بخش کوچکی از محصولات تولید شده را تشکیل می‌دهد.

برای کشف فرصت‌ها برای بهبود این فرآیند، فورست و گروه تحقیقاتی‌اش بر روی الکتروکاتالیست متمرکز شدند، ماده‌ای که سرعت یک واکنش شیمیایی را بدون مصرف در فرآیند افزایش می‌دهد. کاتالیزور کلید عملکرد موفقیت آمیز است. در داخل یک دستگاه الکتروشیمیایی، کاتالیزور اغلب در یک محلول آبی (مبتنی بر آب) معلق است. هنگامی که یک پتانسیل الکتریکی (در اصل یک ولتاژ) به یک الکترود مستغرق اعمال می‌شود، CO۲ محلول - به کمک کاتالیزور - به CO تبدیل می‌شود.

اما یک مانع وجود دارد: کاتالیزور و CO۲ باید در سطح الکترود ملاقات کنند تا واکنش رخ دهد. در برخی از مطالعات، کاتالیزور در محلول پراکنده است، اما به گفته فورست، این رویکرد به کاتالیزور بیشتری نیاز دارد و کارآمد نیست.

او توضیح می‌دهد: "شما هم باید منتظر انتشار CO۲ به کاتالیزور باشید و هم برای رسیدن کاتالیزور به الکترود قبل از وقوع واکنش. " در نتیجه، محققان در سرتاسر جهان در حال بررسی روش‌های مختلف برای "بی حرکت کردن" کاتالیزور روی الکترود بوده‌اند.

اتصال کاتالیزور و الکترود

قبل از اینکه فورست بتواند به این چالش بپردازد، باید تصمیم می‌گرفت که با کدام یک از دو نوع کاتالیزور تبدیل CO۲ کار کند: کاتالیزور سنتی حالت جامد یا کاتالیزوری متشکل از مولکول‌های کوچک. در بررسی ادبیات، او به این نتیجه رسید که کاتالیزور‌های مولکولی کوچک بیشترین امید را دارند. در حالی که بازده تبدیل آن‌ها کمتر از نسخه‌های حالت جامد است، کاتالیزور‌های مولکولی یک مزیت مهم را ارائه می‌دهند: آن‌ها را می‌توان برای تأکید بر واکنش‌ها و محصولات مورد علاقه تنظیم کرد.

دو روش معمولاً برای تثبیت کاتالیزور‌های مولکول کوچک روی یک الکترود استفاده می‌شود. یکی شامل اتصال کاتالیزور به الکترود توسط پیوند‌های کووالانسی قوی - نوعی پیوند که در آن اتم‌ها الکترون‌های مشترک دارند. 

نتیجه یک اتصال قوی و اساسا دائمی است. دیگری یک اتصال غیر کووالانسی بین کاتالیزور و الکترود ایجاد می‌کند. برخلاف پیوند کووالانسی، این اتصال به راحتی می‌تواند شکسته شود.

هیچ یک از این دو رویکرد ایده آل نیستند. در حالت اول، کاتالیزور و الکترود به طور محکم به هم متصل شده‌اند و واکنش‌های کارآمد را تضمین می‌کنند. اما هنگامی که فعالیت کاتالیزور در طول زمان کاهش می‌یابد (که می‌شود)، دیگر نمی‌توان به الکترود دسترسی داشت. در مورد دوم، یک کاتالیزور تخریب شده را می‌توان حذف کرد. 

اما قرارگیری دقیق مولکول‌های کوچک کاتالیزور روی الکترود را نمی‌توان کنترل کرد، که منجر به بازده کاتالیزوری متناقض و اغلب کاهشی می‌شود - و صرفاً مقدار کاتالیزور روی سطح الکترود را افزایش می‌دهد بدون اینکه نگران محل قرارگیری مولکول‌ها باشیم. مشکل را حل نمی‌کند

چیزی که مورد نیاز بود راهی برای قرار دادن کاتالیزور مولکولی کوچک به طور محکم و دقیق بر روی الکترود و سپس رهاسازی آن در هنگام تخریب بود. برای این کار، فورست به چیزی روی آورد که او و تیمش آن را نوعی "ولکرو مولکولی قابل برنامه ریزی" می‌دانند: اسید دئوکسی ریبونوکلئیک یا DNA.

افزودن DNA به مخلوط

برای اکثر مردم DNA را ذکر کنید و آن‌ها به عملکرد‌های بیولوژیکی موجودات زنده فکر می‌کنند. اما اعضای آزمایشگاه فورست، DNA را چیزی فراتر از کد ژنتیکی می‌دانند. او می‌گوید: «DNA این ویژگی‌های فیزیکی واقعاً جالب را به عنوان یک ماده زیستی دارد که مردم اغلب به آن فکر نمی‌کنند. DNA می‌تواند به عنوان یک Velcro مولکولی استفاده شود که می‌تواند چیز‌ها را با دقت بسیار بالا به هم بچسباند.

فورست می‌دانست که توالی‌های DNA قبلاً برای تثبیت مولکول‌ها روی سطوح برای مقاصد دیگر مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛ بنابراین او طرحی برای استفاده از DNA برای هدایت بیحرکتی کاتالیزور‌ها برای تبدیل CO۲ طراحی کرد.

رویکرد او به یک رفتار کاملاً درک شده از DNA به نام هیبریداسیون بستگی دارد. ساختار آشنای DNA یک مارپیچ دوگانه است که هنگام اتصال دو رشته مکمل تشکیل می‌شود. هنگامی که توالی باز‌ها (چهار بلوک سازنده DNA) در رشته‌های منفرد با هم تطبیق پیدا می‌کنند، پیوند‌های هیدروژنی بین پایه‌های مکمل تشکیل می‌شود و رشته‌ها را محکم به هم متصل می‌کند.

استفاده از آن رفتار برای تثبیت کاتالیست شامل دو مرحله است. ابتدا دانشمندان یک رشته DNA را به الکترود متصل می‌کنند. سپس یک رشته مکمل را به کاتالیزوری که در محلول آبی شناور است متصل می‌کنند. هنگامی که رشته دوم به رشته اول نزدیک می‌شود، دو رشته هیبرید می‌شوند. 

آن‌ها با پیوند‌های هیدروژنی متعدد بین باز‌های به درستی جفت شده اند. در نتیجه، کاتالیزور با استفاده از دو رشته DNA به هم پیوسته و خودآرایی که یکی به الکترود و دیگری به کاتالیزور متصل است، محکم به الکترود می‌چسبد.

بهتر است این دو رشته را بتوان از یکدیگر جدا کرد. فورست می‌گوید: اتصال پایدار است، اما اگر آن را گرم کنیم، می‌توانیم رشته ثانویه‌ای را که کاتالیزور روی آن است حذف کنیم؛ بنابراین ما می‌توانیم آن را هیبرید زدایی کنیم. این به ما امکان می‌دهد سطوح الکترود خود را بازیافت کنیم - بدون نیاز به جدا کردن دستگاه یا انجام اقدامات شیمیایی سخت.

بررسی تجربی

برای کشف این ایده، فورست و تیمش - پسادکتر‌های گنگ فان و توماس گیل، دانشجوی فارغ التحصیل سابق ناتان کوربین دکترای ۲۱، و فوق دکتری سابق آمروتا کاربلکار - یک سری آزمایش را با استفاده از سه کاتالیزور مولکولی کوچک مبتنی بر پورفیرین انجام دادند. 

ترکیباتی که از نظر بیولوژیکی برای فرآیند‌های مختلف از فعالیت آنزیمی تا انتقال اکسیژن مهم هستند. دو تا از کاتالیزور‌ها شامل یک پورفیرین مصنوعی به اضافه یک مرکز فلزی از کبالت یا آهن هستند. سومین کاتالیزور هیمین است، یک ترکیب طبیعی پورفیرین که برای درمان پورفیری، مجموعه‌ای از اختلالات که می‌تواند بر سیستم عصبی تأثیر بگذارد، استفاده می‌شود. فورست می‌گوید: بنابراین حتی کاتالیزور‌های مولکولی کوچکی که ما انتخاب کردیم به نوعی از طبیعت الهام گرفته‌اند.

در آزمایش‌های خود، محققان ابتدا باید تک رشته‌ای از DNA را اصلاح کرده و آن‌ها را روی یکی از الکترود‌های غوطه‌ور در محلول داخل سلول الکتروشیمیایی خود قرار دهند. اگرچه این ساده به نظر می‌رسد، اما نیاز به شیمی جدیدی دارد. این تیم به رهبری Karbelkar و محقق سال سوم کارشناسی، Rachel Ahlmark، روشی سریع و آسان برای اتصال DNA به الکترود‌ها ایجاد کردند. 

برای این کار، تمرکز دانشمندان بر روی اتصال DNA بود، اما شیمی "اتصال" آن‌ها می‌تواند برای اتصال آنزیم‌ها (کاتالیزور‌های پروتئینی) نیز استفاده شود و فورست معتقد است که به عنوان یک استراتژی کلی برای اصلاح الکترود‌های کربن بسیار مفید خواهد بود.

هنگامی که تک رشته‌های DNA روی الکترود رسوب کردند، محققان رشته‌های مکمل را سنتز کردند و یکی از سه کاتالیزور را به آن‌ها متصل کردند. هنگامی که رشته‌های DNA با کاتالیزور به محلول موجود در سلول الکتروشیمیایی اضافه شدند، به راحتی با رشته‌های DNA روی الکترود هیبرید شدند. 

پس از نیم ساعت، محققان ولتاژی را به الکترود برای تبدیل شیمیایی CO۲ محلول در محلول اعمال کردند و از کروماتوگرافی گازی برای تجزیه و تحلیل ترکیب گاز‌های تولید شده توسط این تبدیل استفاده کردند.

این تیم دریافتند که وقتی کاتالیزور‌های مرتبط با DNA آزادانه در محلول پراکنده می‌شوند، بسیار محلول هستند - حتی زمانی که شامل کاتالیزور‌های مولکولی کوچکی می‌شوند که خود به خود در آب حل نمی‌شوند. در واقع، در حالی که کاتالیزور‌های مبتنی بر پورفیرین در محلول اغلب به هم می‌چسبند، زمانی که رشته‌های DNA متصل شدند، آن رفتار معکوس دیگر مشهود نبود.

کاتالیزور‌های مرتبط با DNA در محلول نیز پایدارتر از همتایان اصلاح نشده خود بودند. آن‌ها در ولتاژ‌ها تجزیه نمی‌شوند که باعث تخریب کاتالیزور‌های اصلاح نشده می‌شود. فورست می‌گوید: بنابراین فقط اتصال آن رشته DNA به کاتالیزور در محلول، آن کاتالیزور‌ها را پایدارتر می‌کند. ما حتی مجبور نیستیم آن‌ها را روی سطح الکترود بگذاریم تا پایداری بهبود یافته را ببینیم. 

هنگام تبدیل CO۲ به این روش، یک کاتالیزور پایدار در طول زمان جریان ثابتی می‌دهد. نتایج تجربی نشان داد که افزودن DNA از تجزیه کاتالیزور در ولتاژ‌های مورد علاقه برای دستگاه‌های عملی جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، با هر سه کاتالیزور در محلول، اصلاح DNA به طور قابل توجهی تولید CO در دقیقه را افزایش داد.

اجازه دادن به کاتالیزور متصل به DNA برای هیبرید شدن با DNA متصل به الکترود، حتی در مقایسه با همان کاتالیزور متصل به DNA در محلول، بهبود‌های بیشتری را به همراه داشت. 

به عنوان مثال، در نتیجه مونتاژ هدایت شده توسط DNA، کاتالیزور به طور محکم به الکترود متصل شد و پایداری کاتالیزور بیشتر شد. با وجود اینکه مولکول‌های کاتالیزور متصل به DNA در محلول‌های آبی بسیار حل می‌شوند، حتی در شرایط آزمایشی سخت هیبرید در سطح الکترود باقی می‌مانند.

تثبیت کاتالیزور متصل به DNA روی الکترود نیز به طور قابل توجهی سرعت تولید CO را افزایش داد. در مجموعه‌ای از آزمایش‌ها، محققان نرخ تولید CO را با هر یک از کاتالیزور‌های خود در محلول بدون رشته‌های DNA متصل - تنظیم معمولی - و سپس با آن‌ها توسط DNA روی الکترود تثبیت کردند. با هر سه کاتالیزور، مقدار CO تولید شده در دقیقه زمانی که کاتالیزور متصل به DNA روی الکترود تثبیت شد، بسیار بیشتر بود.

علاوه بر این، تثبیت کاتالیزور مرتبط با DNA روی الکترود، "انتخاب پذیری" را از نظر محصولات افزایش می‌دهد. یکی از چالش‌های مداوم در استفاده از CO۲ برای تولید CO در محلول‌های آبی این است که رقابت اجتناب‌ناپذیری بین تشکیل CO و تشکیل هیدروژن وجود دارد. 

این تمایل با افزودن DNA به کاتالیزور در محلول کاهش یافت - و حتی بیشتر از آن زمانی که کاتالیزور با استفاده از DNA روی الکترود تثبیت شد. برای هر دو کاتالیزور کبالت پورفیرین و کاتالیزور مبتنی بر هیمین، تشکیل CO نسبت به هیدروژن با کاتالیزور متصل به DNA روی الکترود به طور قابل توجهی بیشتر از محلول بود. 

با کاتالیزور آهن پورفیرین آن‌ها تقریباً یکسان بودند. فورست توضیح می‌دهد: "در مورد آهن، مهم نیست که در محلول باشد یا روی الکترود. " "هر دوی آن‌ها قابلیت انتخاب برای CO دارند، بنابراین این نیز خوب است. "

پیشرفت و برنامه ریزی

فورست و تیم او اکنون نشان داده‌اند که رویکرد مبتنی بر DNA آن‌ها مزایای کاتالیزور‌های حالت جامد سنتی و کاتالیزور‌های جدیدتر با مولکول‌های کوچک را ترکیب می‌کند. آن‌ها در آزمایشات خود به تبدیل شیمیایی بسیار کارآمد CO۲ به CO دست یافتند و همچنین توانستند ترکیب محصولات تشکیل شده را کنترل کنند. 

آن‌ها معتقدند که تکنیک آن‌ها باید مقیاس پذیر باشد: DNA ارزان و به طور گسترده در دسترس است، و مقدار کاتالیزور مورد نیاز چندین مرتبه کمتر است که با استفاده از DNA بی حرکت می‌شود.

بر اساس کار خود تاکنون، فورست این فرضیه را مطرح می‌کند که ساختار و فاصله مولکول‌های کوچک روی الکترود ممکن است مستقیماً بر راندمان کاتالیزوری و انتخاب محصول تأثیر بگذارد. 

با استفاده از DNA برای کنترل موقعیت دقیق کاتالیزور‌های مولکولی کوچک خود، او قصد دارد این تاثیرات را ارزیابی کند و سپس پارامتر‌های طراحی را که می‌تواند در سایر کلاس‌های کاتالیزور تبدیل انرژی اعمال شود، برون‌یابی کند. 

در نهایت، او امیدوار است که یک الگوریتم پیش‌بینی ایجاد کند که محققان بتوانند از آن برای طراحی سیستم‌های الکتروکاتالیستی برای کاربرد‌های مختلف استفاده کنند.