Dna ger ledtrådar till ren och effektiv energiproduktion

19 juli 2022

modell av molekyler och fysisk reaktion.

Bränslecell där syrgas (O2) som är löst i vatten delas upp av de spiralformade molekylerna. Det uppdelade syret reagerar med vattenmolekyler vilket resulterar i hydroxidjoner (OH-).

Forskare från bland annat Uppsala universitet har genom att studera spiralformade molekyler i kroppen, såsom dna, fått ledtrådar till hur energiproduktion i till exempel bränsleceller kan effektiviseras, utan inblandning av koldioxid och tungmetaller. Den nya forskningen visar hur de spiralformade molekylerna, som finns naturligt i allt syreberoende liv, katalyserar energiproduktionen i cellerna.

Syre är viktigt för ett flertal processer i kroppen, till exempel i cellandningen, där glykos omvandlas till vatten och koldioxid med hjälp av syre, samtidigt som energi avges enligt formeln: C6H12O6 + 6O2 –> 6H2O + 6CO2 + energi (ATP).

Utmaningen är dock att glykos-, vatten- och koldioxidmolekyler antar så kallade singlet-tillstånd medan syrgasen antar triplett-tillstånd, vilket innebär att reaktionen inte kan ske utan att något tillförs den kemiska reaktionen. Detta kan dock ske med hjälp av någon form av katalysator.

Spiralformade molekyler kan vara katalysator

När det gäller andra typer av reaktioner, till exempel i bränsleceller där vät- och syrgas omvandlas till vatten för att utvinna energi, kan tungmetaller såsom platina agera katalysator. Men det har hittills inte varit känt vad motsvarande katalysator skulle kunna vara i kroppen och varför det görs med sådan effektivitet som det faktiskt gör.

Jonas Fransson, professor vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet har nu tillsammans med kemister vid Weizmann Institute, Israel, och University of Pittsburg, USA, kommit fram till att den okända katalysatorn sannolikt utgörs av spiralformade molekyler.

Billiga och effektiva bränsleceller utan tungmetaller

De spiralformade molekylerna finns i överflöd i kroppen i form av dna och andra polymerer, och fungerar katalytiskt för den typen av reaktioner där syrgas ingår. Tack vare de spiralformade molekylerna kan tripletternas och singleternas sammanlagda egenskaper, till exempel energi och rörelsemängdsmoment, bevaras under de kemiska reaktioner där syrgas delas upp i syreatomer.

Jonas Fransson, professor vid institutionen för fysik
och astronomi, Uppsala universitet.
Foto: Mikael Wallerstedt

– För att reduktionen av syrgas ska ske med stor effektivitet i reaktionen ska alla biologiska spiralformade molekyler vara skruvade åt samma håll, vilket leder till en närmast hundraprocentig sannolikhet för att syrgasen tas om hand i kroppen, säger Jonas Fransson.

Det som gör de spiralformade molekylerna effektiva som katalysatorer är att de kan dela upp syrgasen i syreatomer som kan reagera med glukos för att producera energi, vatten och koldioxid på ett helt annat sätt än till exempel platina. Det innebär att man i framtiden skulle kunna konstruera billiga och effektiva bränsleceller utan tungmetaller.

Camilla Thulin

Publikation

Referens: Yutao Sang, Francesco Tassinari, Kakali Santra, Wenyan Zhang, Claudio Fontanesi, Brian P. Bloom, David H. Waldeck, Jonas Fransson and Ron Naaman: Chirality enhances oxygen reduction, PNAS, DOI:10.1073/pnas.2202650119