Metallische Nano-Katalysatoren ahmen die Struktur von Enzymen nach

Aktive Zentren in Kanälen

Bei Enzymen liegen die aktiven Zentren, an denen die chemische Reaktion stattfindet, im Inneren. Die reagierenden Substanzen müssen durch einen Kanal aus der umgebenden Lösung zum aktiven Zentrum gelangen, wo aufgrund der räumlichen Struktur besonders günstige Reaktionsbedingungen herrschen.

„Es wird vermutet, dass in den Kanälen zum Beispiel ein lokal veränderter pH-Wert herrscht und dass auch die elektronische Umgebung in den aktiven Zentren für die Effizienz natürlicher Enzyme verantwortlich ist“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Leiter des Bochumer Zentrums für Elektrochemie.

Kanäle in Nickel-Platin-Partikeln erzeugt

Um die Enzymstrukturen künstlich nachzuahmen, erzeugten die Forscher Partikel aus Nickel und Platin von rund zehn Nanometern Durchmesser. Durch chemisches Ätzen entfernten sie das Nickel anschließend wieder, wodurch sich Kanäle bildeten.

Im letzten Schritt inaktivierten sie die aktiven Zentren an der Partikeloberfläche. „So konnten wir sicherstellen, dass nur die aktiven Zentren in den Kanälen an der Reaktion teilnehmen“, erklärt Patrick Wilde, Doktorand am Zentrum für Elektrochemie.

Die katalytische Aktivität der so hergestellten Partikel verglichen die Forscher mit der Aktivität von herkömmlichen Partikeln mit aktiven Zentren an der Oberfläche.

Dreifach höhere Aktivität

Für den Test nutzte das Team die Sauerstoffreduktionsreaktion, die unter anderem die Grundlage für den Betrieb von Brennstoffzellen bildet. Aktive Zentren am Ende der Kanäle katalysierten die Reaktion dreimal effizienter als aktive Zentren an der Partikeloberfläche.

„Die Ergebnisse zeigen das enorme Potenzial der Nanozyme“, resümiert Dr. Corina Andronescu, Gruppenleiterin am Zentrum für Elektrochemie. Die Wissenschaftler wollen das Konzept nun auf andere Reaktionen, zum Beispiel die elektrokatalytische CO2-Reduktion, ausweiten und die Grundlagen der erhöhten Aktivität detaillierter untersuchen.

„In Zukunft möchten wir die Arbeitsweise der Enzyme noch besser nachahmen können“, ergänzt Schuhmann. „Letztendlich soll das Konzept zu industriellen Anwendungen beitragen, um Energieumwandlungsprozesse unter Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom effizienter zu machen.“

Förderung

Die Studie wurde finanziell unterstützt vom ARC Centre of Excellence in Convergent Bio-Nano Science and Technology (CE140100036), durch das ARC-Laureate-Fellowship-Programm (FL150100060), einen Grant des National Health and Medical Research Council (APP1075628), die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC1069), das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts „Nemezu“ (03SF0497B) sowie den Fonds der Chemischen Industrie.

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Tania M. Benedetti, Corina Andronescu, Soshan Cheong, Patrick Wilde, Johanna Wordsworth, Martin Kientz, Richard D. Tilley, Wolfgang Schuhmann, J. Justin Gooding: Electrocatalytic nanoparticles that mimic the three-dimensional geometric architecture of enzymes: nanozymes, in: Journal of the American Chemical Society, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08664