Reducción de CO2 mediada por el sistema fotobiocatalítico MIL-125-NH2/FDH activado por excitación visible monocromática

Resumen

Introducción: El ácido fórmico (HCOOH) es una especie de alto valor agregado que se ha propuesto como precursor en la síntesis de hidrógeno. Su obtención por reducción de CO₂ catalizada por la enzima formiato deshidrogenasa (FDH) resulta muy interesante por su especificidad, pero la mayoría de los biocatalizadores disponibles son NAD-dependientes,¹ por lo cual su operación requiere exceso de NADH, de elevado costo y baja estabilidad, como donor específico electrones y protones. Esta desventaja ha motivado el desarrollo de métodos de regeneración o vías alternativas de activación implicando sistemas complejos que involucran especies reactivas que pueden desestabilizar las enzimas. En esta presentación, se reporta un sistema biomimético simple obtenido por adsorción de FDH recombinante de Thiobacillus sp. sobre un armazón metalorgánico (MOF) semiconductor basado en Ti(IV) y ácido 2-aminotereftálico (MIL-125-NH₂) y se explora la fotoactivación de la enzima bajo excitación visible de manera directa y mediante generación de NADH y metilviológeno (MV) reducido como cofactores naturales y artificiales, respectivamente.

Resultados: El MIL-125-NH₂ se sintetizó por un método solvotermal. Su identidad se confirmó por XRD y la obtención de partículas con forma de platos circulares/tetragonales de 0,62 µm se observó por SEM. La caracterización por DRUV permite estimar un band gap óptico de 2,71 eV. El MOF presenta gran estabilidad en medio acuoso a pH = 4 - 7. En estas condiciones, la irradiación visible en atmósfera inerte con trietanolamina (TEOA) como donor de electrones permite la fotoreducción de NAD⁺ para dar NADH, siendo la velocidad máxima a pH neutro, lo cual puede ser explicado en términos de la protonación del donor y la carga superficial del sólido.² El sistema biomimético se obtuvo equilibrando suspensiones del MIL-125-NH₂ y FDH en Tris-HCl 0,1 M (pH = 7). Análisis de Bradford antes y después del proceso permiten determinar una carga enzimática de 1,22% y la presencia del biocatalizador sobre el MOF se evaluó por FTIR. La reducción de CO₂ mediada por MIL-125-NH₂/FDH se realizó en medio anaeróbico y pH = 7 con NaHCO₃ y TEOA como sustrato y donor electrónico, respectivamente; excitando con LED de 470 nm. El producto generado se cuantificó temporalmente por CG-MS vía derivatización con bromuro de pentafluorobencilo. Nuestros resultados demuestran que es posible la activación de la enzima por inyección de electrones desde la banda de conducción del MOF sin presencia de mediadores con una velocidad de generación de HCOOH de 3,24 µM/h. La reacción también procede con NADH fotogenerado, pero a menor velocidad (1,45 µM/h), la cual aumenta 10,4 veces en presencia del catión radical de MV. Se propone un mecanismo para racionalizar los resultados.

Conclusiones: Se reporta un sistema biomimético fotobiocatalítico de fácil obtención que permite la activación visible directa de la FDH y que admite la posibilidad de utilizar el MV como mediador electrónico entre la enzima y el MOF, el cual actúa como un eficiente cofactor artificial. Asimismo, el soporte semiconductor exhibe una marcada actividad para fotocatalizar la generación de NADH, lo cual extiende su frontera de aplicación a enzimas NAD-dependientes en general.

Referencias bibliográficas: 1) Choe, H., Joo, J. C., Cho, D. H., Kim, M. H., Lee, S. H., Jung, K. D., Kim, Y. H. Plos One 2014, 9, e103111. 2) Aguirre M. E., Isla Naveira, R., Botta, P. M. Altieri T. A., Wolosiuk, A., Churio, M. S. New J. Chem. 2021, 45, 10277-10286.