Катализатор внутри: Драгоценные металлы катализатора. Сколько их и как можно отделить?

Содержание

Как понять, что катализатор в машине вышел из строя? | Обслуживание | Авто

Выхлопная система автомобиля играет важную роль в работоспособности силового агрегата, а значит, необходимо держать ее в исправном состоянии, чтобы машина вдруг не встала без движения посреди дороги. Каталитический нейтрализатор, лямбда-зонд и другие элементы выхлопной системы теперь должны проверяться во время прохождения инструментального технического осмотра. Онако не всегда их повреждения бывают заметны водителю. Спекшийся катализатор или врущий сенсор не выдают себя посторонними шумами или разноцветным дымом, как это бывает с мотором или трансмиссией. Как же водителю понять, что машину пора чинить?

Почему ломается катализатор?

Внутри нейтрализатора расположен пористый керамический блок с сотовой структурой, на поверхность которого нанесен промежуточный слой активаторов, а поверх него — каталитически активное напыление из платины, палладия и родия. Под действием высокой температуры оксиды углерода и оксиды азота превращаются внутри сот в диоксид углерода и азот, а углеводороды — в углекислый газ и водяной пар.

Срок службы устройства очень большой и при правильной эксплуатации неограничен. Однако при применении некачественного бензина или из-за повреждений системы зажигания нейтрализатор быстро ломается. Причиной тому догорание горючего на выпуске и рост температуры отработавших газов. При пропусках зажигания не сгоревшее в одном цилиндре топливо выбрасыается в трубу и горит в нейтрализаторе, создавая в нем повышенную температуру. При достижении 900 °C соты оплавляются и спекаются в плотную корку, закупоривающую проход для отработавших газов.

Также технический узел можно повредить ударами днищем о кочки на бездорожье и прочими механическими воздействиями.

Опасно для него и купание в холодных лужах, а также преодоление брода. Резкое охлаждение водой вызывает трещины керамического элемента. Ячейки крошатся и забивают проходы для выхода газов. Дальше процесс развивается лавинообразно. Забитые соты перегреваются и оплавляются дальше.

В выхлопной системе растет давление, и часть отработавших газов вместе с керамической пылью засасывается обратно в цилиндры.

В итоге керамический абразив выводит из строя нежное напыление на стенках цилиндров. Езда с разрушающимся катализатором чревата капитальным ремонтом мотора.

Как диагностировать неисправность?

Катализатор при мелких оплавлениях почти никак не проявляет себя. Если водитель ездит спокойно, без резких разгонов и торможений, то повреждения ячеек остаются незамеченными. Только уже при сильных повреждениях начинает ощущаться потеря динамики транспортного средства.

Автомобиль набирает скорость вяло, мощность мотора падает. Сначала с трудом преодолевается рубеж скорости в 120 км/ч, а через некоторое время машина уже не может разогнаться до 100 км/ч.

Газам некуда выходить, и они мешают работе мотора. Другими словами, часть выхлопа «застревает» в цилиндрах. Но это уже в крайних случаях. Гораздо чаще на приборной панели просто загорается желтый «чек» ошибки, мешающий прохождению ТО. Мастера в поисках неисправности перебирают половину системы зажигания, но не могут найти неисправность. А начинать лучше с системы выхлопа.

На некоторых машинах снять каталитический нейтрализатор трудно. Иногда он помещается в моторном отсеке рядом с двигателем и закрыт кожухами и термоизоляционными листами.

На других моделях технический узел стоит под днищем и его демонтаж облегчен, но тоже непрост. Поэтому визуально определить состояние ячеек невозможно. Для проверки работоспособности системы часто применяют замер давления на входе в нейтрализатор без его демонтажа.

Выкручивается кислородный датчик, и на его место через переходник ставится манометр со шкалой. После запуска мотора можно увидеть, какое давление создают выхлопные газы. При превышении допустимых значений катализатор придется менять.

Проверка работоспособности с выкручиванием датчика занимает несколько минут и достаточно информативна, так как помогает определить степень загрязнения и повреждений ячеек даже на начальной стадии.

Некоторые народные умельцы предлагают удалить каталитический нейтрализатор и ездить без него, предварительно перепрошив электронный блок управления мотором на стандарты Евро-3. Причем сделать это предлагается бесплатно. Однако такая операция приведет к невозможности пройти техосмотр. Кроме того, даже поврежденный нейтрализатор стоит больших денег из-за высокого содержания драгоценных металлов. Сейчас за ними идет охота у приемщиков цветмета. Поэтому лучше сдать старую деталь в утиль самостоятельно. Вырученные деньги частично окупят покупку нового катализатора.

Все дело в катализаторе: Ученые Сколтеха предложили способ оптимизировать производство углеродных нанотрубок

Ученые Сколтеха исследовали способ ввода катализатора, который применяется при изготовлении углеродных нанотрубок с помощью классического метода химического осаждения из газовой фазы (CVD). Исследователи предложили «простой и элегантный» способ повысить эффективность синтеза нанотрубок, открывающий перспективы для разработки более экономичных и доступных технологий на основе нанотрубок. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.

Иллюстрация: Павел Одинев / Сколтех

Однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ), представляющие собой свернутый в бесшовный цилиндр лист графена толщиной в один атом, имеют широкий потенциал применения в таких областях, как в материаловедении и электронике. При этом ключевой аспект развития этой технологии — оптимизация CVD метода получения нанотрубок, когда частицы металлического катализатора используются для «экстракции» углерода из газовой среды и выращивания нанотрубок.

«Для получения углеродной нанотрубки из исходного сырья необходимо добиться четкой согласованности между десятками параметров реактора. Формирование углеродных нанотрубок – очень сложный процесс. Несмотря на то, что его изучением занимаются уже достаточно давно, он до сих пор таит в себе много секретов», − рассказывает профессор Сколтеха и адъюнкт-профессор кафедры химии и науки о материалах Университета Аалто (Финляндия) Альберт Насибулин.

В последнее время предлагалось множество способов повышения каталитической активности с целью увеличения объемов производства ОУНТ с требуемыми свойствами. Профессор Насибулин и его коллеги сосредоточили свое внимание на способе ввода паров ферроцена, предшественника катализатора, внутри реактора.

Для получения углеродных нанотрубок ученые применили аэрозольный метод CVD, используя в качестве источника материала монооксид углерода. В процессе формирования трубок контролировали производительность синтеза и характеристики ОУНТ (в частности, диаметр трубки) в зависимости от скорости ввода катализатора и концентрации углекислого газа, который использовали для тонкой настройки параметров процесса. В итоге исследователи пришли к выводу, что «регулируя расход газа через инжектор, можно до девяти раз увеличить производительность синтеза при сохранении большинства характеристик ОУНТ», таких как диаметр трубки, процент дефектных нанотрубок и электрическая проводимость пленки.

«Цель любой технологии заключается в повышении эффективности. При изготовлении нанотрубок методом CVD, как правило, не уделяют должного внимания эффективности использования катализатора. Мы же, напротив, считаем, что решение этой задачи открывает широкие перспективы для создания улучшенных технологий. Данная работа — первый шаг на пути к достижению этой цели», − отмечает один из авторов статьи, старший научный сотрудник Сколтеха Дмитрий Красников.

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

*protected email* *protected email*

Диагностика катализатора в ЗАО Москвы

Часто можно слышать от автовладельцев фразу: «Умер катализатор». Что означает эта поломка, как она «лечится», и самое главное — как ее избежать? Мы поможем вам разобраться в устройстве компонента выхлопной системы, который устанавливается на все современные автомобили. На СТО GSavto проводится профессиональная диагностика катализатора, а при необходимости замена или ремонт.

Для чего нужен катализатор?

С введением экологических норм Евро 1,2,3… выброс СО в атмосферу стал строго регламентирован. Возникла необходимость в технической реализации этих норм.

Снизить токсичность выхлопа бензиновых моторов на стадии формирования топливной смеси невозможно. Поэтому единственным способом стало уменьшение содержание вредных веществ в системе отвода отработанных газов.

В глушитель интегрировали каталитический нейтрализатор. Он имеет пористую структуру со сложным составом на основе керамики. Поры имеют сквозную сотовую структуру, через них проходят отработанные газы. Для нормального течения химической реакции на ячейки напыляется платина. Поэтому этот элемент выхлопной системы имеет высокую себестоимость. Поломка катализатора и его замена обычно влетает в копеечку.

На входе и выходе в катализаторы установлены датчики кислорода, так называемые лямбда зонды (в просторечии — лямбды). На основе их показателей, формируется состав топливной смеси.

После введения экологических норм Евро 4 и 5 многими автопроизводителями был добавлен второй катализатор. Причем на каждой «ветви» выхлопной системы установлена своя пара каталитических нейтрализаторов.

Если у вас V образный блок цилиндров — дорогостоящих блоков будет уже четыре.

Неисправный катализатор мало того, что нарушает чистоту выхлопа (возможные проблемы при прохождении ТО), так вы еще столкнетесь с падением мощности двигателя и перерасходом топлива.

Поломка катализатора — причины и последствия

Что касается проблем, с которыми приходится сталкиваться автовладельцам, они следующие:

Забит катализатор. Причина сводится к низкому качеству топлива и наличию в бензине разнообразных присадок. Все примеси оседают на раскаленных стенках сотовой структуры, сплавляются в коксообразное вещество, и со временем снижают проходимость глушителя до нуля. Двигатель «задыхается», мощность резко падает. Лямбда выдают неправильные данные, и в цилиндры поступает больше топлива. Модуль не подлежит восстановлению: если у вас забился катализатор, придется ставить новый или вовсе удалять его. Это может быть чревато сложностями при прохождении техосмотра, особенно при непрофессионально проведенных работах.
Прогорел катализатор. Причина опять же в топливе, точнее — в топливной системе. При нарушении режима работы двигателя, часть несгоревшего бензина попадает в выхлопную систему. В старых моделях это приводило к взрывам внутри глушителя, вплоть до его разрушения. Катализатор впитывает выброшенный бензин, и он догорает внутри сотовых ячеек. Такую температуру не выдерживает даже керамика. В структуре возникают пустоты, которые нарушают режим работы.
Засорился катализатор. Симптомы такие же, как при забитых ячейках. Только причина в другом. Мелкие частицы (возникающие, в том числе при прогорании ячеек) забивают сквозные соты, и препятствуют прохождению выхлопных газов.

При подозрении на неправильную работу системы выхлопа, требуется проверка катализатора. Не торопитесь делать замену дорогостоящей детали. Рекомендуем пройти диагностику в сервисе GSavto. Мы сможем определить по какой причине вышел из строя катализатор и можно ли его восстановить. Наш подход к работе позволяет экономить деньги клиента. Поэтому, если у Вашего автомобиля прогорел, засорился или забит катализатор — приезжайте в автосервис GSAvto по адресу: г. Москва, ул. Кубинка, 3/10с3, (ЗАО, районы Кунцево и Можайский, м. Молодежная, м. Кунцевская) и наши специалисты произведут диагностику, выявят и оперативно устранят неисправность катализатора Вашего авто по доступным ценам!

Южный федеральный университет | Пресс-центр: Ученые ЮФУ предложили новый тип катализаторов для управления продуктами химической реакции

Международная группа ученых из Южного федерального университета и Католического университета Левена (Бельгия) совместно с коллегами из Гентского университета (Бельгия) и Национального института химии Словении предложили революционную концепцию управления продуктами химической реакции с помощью нового катализатора на основе палладия, что открывает возможность удешевить процесс производства важных структурных элементов органического синтеза – биарилов.

Современная химическая промышленность требует для своих процессов комплексных органических соединений, производство которых является дорогим, поскольку основано на традиционных реакциях кросс-сочетания (важнейшем методе создания углеродных связей), и приводит к образованию большого количество отходов. Альтернативный и многообещающий подход – переход к реакциям, где побочным продуктом выступает вода.

«Идея нашего исследования заключается в использовании особого типа катализатора, в котором активный компонент, палладий, находится в виде изолированных моноатомных центров, заключенных внутри нанопористых кристаллических материалов – цеолитов. Получается, что реакция протекает внутри пор, определенных формы и размера, и потенциальные продукты реакции вынуждены «подстраиваться» под эти параметры. Идея, казалось бы, проста, но прежде никому не удавалось реализовать её», – рассказал один из авторов исследования, заведующий Международной лабораторией нанодиагностики Южного федерального университета, Арам Бугаев.

На примере реакции связывания толуола, ученые выяснили, что распределение продуктов существенным образом изменяется при внедрении активных центров палладия в цеолиты с различным размером и формой пор. Точная структура активных центров палладия была установлена на основе синхротронных измерений спектров рентгеновского поглощения и их анализа авторскими методами, основанными на алгоритмах машинного обучения.

«Это отличный пример того, как передовые методы химического синтеза в сочетании с диагностикой на установках класса Мегасайенс и современными суперкомпьютерными технологиями позволяют достигнуть прорывных результатов мирового уровня. Наше исследование посвящено не просто новому гетерогенному катализатору, оно предлагает революционную концепцию для управления продуктами реакции для практического применения в промышленности», – прокомментировал результаты исследования директор Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, руководитель Российско-Бельгийского проекта РНФ 20-43-01015, профессор Александр Солдатов.

Новый материал, катализатор, позволяет с высокой избирательностью производить важные структурные элементы органического синтеза – биарилы, широко используемые в современной тонкой химической и фармацевтической промышленности. Растущий спрос на биарилы в полимерной промышленности обусловлен их большей стабильностью и безопасностью для человека и окружающей среды. Внедрение предложенного материала в производство биарилов позволит существенно удешевить этот процесс и расширить область их применения.

Исследование выполнено в рамках совместного Российско-Бельгийского проекта и было опубликовано в журнале Nature Catalysis.

Что внутри каталитического нейтрализатора? | ConverterGuys.com — основные покупатели

Каталитический нейтрализатор использует набор катализаторов для преобразования некоторых опасных газов, производимых вашим автомобилем, в безопасные вещества. Есть три основных металла, которые используются внутри преобразователей, а также других материалов.

Платина — Платина — драгоценный металл серебристо-белого цвета. Впервые он был обнаружен испанцами в Южной Америке в 16 веке и используется в ювелирных изделиях, электрических контактах, лабораторном оборудовании и промышленных катализаторах.Он также оказался одним из лучших металлов по общей производительности в качестве каталитического нейтрализатора. Платина также может использоваться в качестве металла, который помогает нейтрализовать выхлопные газы и загрязнения, исходящие от двигателя автомобиля, и до того, как дело дойдет до выхлопных газов, чтобы уловить вредные частицы, и через различные ионы сведет на нет негативное воздействие на окружающую среду.
Палладий . Как правило, более дорогой в использовании, чем платина, поэтому он, как правило, является более дорогим предметом роскоши для каталитических нейтрализаторов.
Родий – Используется в качестве восстановительного компонента для удаления паров, а затем в сочетании с палладием для устранения большего количества токсинов до того, как они попадут в атмосферу.
Керамическая или металлическая фольга – это то, что вы видите и на самом деле находится под драгоценными металлами. Сотовый рисунок, который вы видите по всему каталитическому нейтрализатору. Он предназначен для того, чтобы иметь все эти отверстия и пространство на поверхности, чтобы иметь достаточно отверстий для захвата вредных токсинов.
Металлический щит . Как правило, они сделаны из стали снаружи, но часто могут быть изготовлены из магнитной нержавеющей стали.

Когда вы хотите продать каталитический нейтрализатор на металлолом, хорошо знать год, марку и модель, но также и его происхождение. Если каталитический нейтрализатор, который у вас был, был заменен, и вы хотите утилизировать оригинал из автомобиля, вы можете ожидать более высокую цену за лом. Если у вас есть каталитический нейтрализатор вторичного рынка (установленный после сборки автомобиля на заводе), вы можете рассчитывать на более низкую цену за металлолом.

ПРИМЕЧАНИЕ. Чтобы идентифицировать каталитический нейтрализатор вторичного рынка, следует обратить внимание на блестящий серебряный экран, обернутый вокруг каталитического нейтрализатора. Иногда на щите будет стрелка, которая указывает механику, устанавливающему его, в каком направлении проходит поток воздуха через выхлопную систему.

Как узнать реальную цену каталитического нейтрализатора

Один ответ… невозможен, причина в том, что если у вас нет более сотни каталитических нейтрализаторов одного и того же автомобиля, содержащих одинаковое количество материала и способных провести анализ этих катализаторов через доверенного процессора, в противном случае это будет очень трудно узнать количество драгоценных металлов внутри.Вот почему существуют свалки и скупщики каталитических нейтрализаторов, чтобы купить этих кошек вам и, надеюсь, по справедливой рыночной цене.

Стоимость каталитических нейтрализаторов за штуку поступает из разных источников, и покупатели делают большие анализы одного и того же типа кошек, зная, каково будет извлечение драгоценных металлов изнутри, а затем могут использовать формулу, основанную на ценообразование на спотовом рынке на рынках платины, палладия и родия для создания цены.

ЦЕНА НА ПЛАТИНУ В ДОЛЛАРАХ США – ИСТОРИЧЕСКИЕ ЦЕНЫ
794,50 790,50

ДАТА ЦЕНА ЗАКРЫТИЯ ОТКРЫТ ДНЕВНОЙ МАКСИМАЛЬНЫЙ ДНЕВНОЙ МИНИМАЛЬНЫЙ

34.18/2012.50 795,50 786,00

12/17/2018 795,00 787.00 798.00 783.00

12/16/2018 789,00 786,00 789,50 786.00

12/14/2018 786.00 796.50 797.50 797.50 782.50 70043

13/13/2018 796.50 703.00 808.00

12/12/2018 803,00 786,00 806,50 785,00

12/11/2018 785,50 784,00 790,50 779,50

12/10/2018 784,50 794,00 795,00 778,50

12/09/2018 794,50 794,00 794,50 794,00

12/07/2018 794 . 00 789,00 795,50 784,50

Каталитические нейтрализаторы (18 декабря 2018 г., 11:27)

Текущая цена металла/материала

Маленький иностранный кот $70-85/шт.

Средний иностранный кот $90–110/шт.

Большой иностранный кот $110–$215/шт.

Иностранные модели Pre-Cat 28–41 долл. США/шт.

Домашняя кошка $43–$55/шт.

Домашняя кошка 21–28 долларов США за штуку

Малый кот GM $75-$88/шт.

Большая кошка GM $82–$102/шт.

Обычная кошка с хлебом $78–89/шт.

Маленький Chrysler Cat 52–65 долларов США за штуку

Большой Chrysler Cat 70–87 долларов США за штуку

Ford Cat $61-74/шт.

Ford Pre-Cat от 20 до 26 долларов США за штуку

Кошка из бисера $20-$26/шт.

Дизель Cat 5 долларов.00-250$/каждый

Маленькая проволока $11–$14/шт.

Большой проволочный кот $34–$45/шт.

Wire Pre-Cat $7–12/шт.

ДЖИП $70

КАМРИ $54

Химия | Бесплатный полнотекстовый | Каталитические нейтрализаторы выхлопных газов транспортных средств: основные аспекты и обзор технологий для новичков в этой области

1. Введение
Использование ископаемого топлива в транспортном секторе увеличило выбросы парниковых газов (ПГ) за последние десятилетия [1,2].Ископаемое транспортное топливо, такое как выхлопные газы бензина или дизельного топлива, состоящие из диоксида углерода (CO ₂), метана (CH ₄), закиси азота (N ₂ O), моноксида углерода (CO) и гидрофторуглеродов (ГФУ). [3]. Действительно, выбросы ПГ от транспортного сектора составляют 28% от общих выбросов США [1]. Этот процент ниже (19,4%) для Европейского Союза, но все еще важен [4]. Сокращение этих выбросов является большой проблемой для разрыва так называемого цикла изменения климата [5].Были предложены некоторые стратегии для решения проблемы выбросов в транспортном секторе. Предпочтительными действиями являются увеличение доли возобновляемой энергии и переход к водороду в качестве вектора энергии [6]. Фактически, питание наших транспортных средств с помощью топливных элементов или водородных двигателей внутреннего сгорания уже технически осуществимо [7], но преодоление общей стоимости, связанной с этими двумя технологиями, по-прежнему является проблемой на пути к низкоуглеродному транспортному сектору [7]. В этой строке необходимо изучить другие варианты.Как показано в недавнем обзоре [8], достижения в области технологий двигателей предъявляют дополнительные требования к катализаторам контроля выбросов. В этом смысле широко распространено использование каталитических нейтрализаторов для уменьшения выхлопных газов автомобилей и преобразования их в безвредные соединения [9]. Среди каталитических нейтрализаторов трехкомпонентные каталитические (TWC) нейтрализаторы являются самой современной технологией с 1970 года [10]. TWC-нейтрализаторы — это инструмент, используемый для снижения выбросов загрязняющих газов, которые присутствуют в выхлопных газах, выбрасываемых из внутреннего двигатель внутреннего сгорания автомобиля [11]. TWC предпочтительнее двухкомпонентного каталитического нейтрализатора в автомобилях, потому что он может уменьшить выбросы газов N ₂ O, а также выбросы CO и несгоревших углеводородов. Двухкомпонентные каталитические нейтрализаторы смогут уменьшить выбросы газообразного CO и несгоревших углеводородов только благодаря используемым катализаторам и протекающим реакциям [11]. Используя концепцию гетерогенного катализа и скорости реакции, используется сотовая керамическая структура (обычно покрытая Al ₂ O ₃), которая действует как носитель катализатора.Основная причина заключается в том, что он обеспечивает наилучший контакт между потоком выхлопных газов и поверхностью катализатора [12]. Сотовая керамическая структура представляет собой носитель катализатора, который обеспечивает большую площадь поверхности, чтобы окислительно-восстановительные реакции происходили с более высокой скоростью и эффективностью. Большая площадь поверхности, наряду с температурой и давлением, является одним из основных факторов, обеспечивающих более высокую скорость реакции [13]. Затем структуру покрывают раствором, содержащим различные нитраты благородных металлов, такие как нитрат палладия, нитрат родия и нитрат платины [14].Сотовая структура облегчает поток газа через конвертер и контролирует любые перепады давления. с воспитательной точки зрения по-прежнему отсутствует. Следовательно, эта работа является полезным начальным ресурсом для новичков в этой области, чтобы познакомить их прямым и ясным образом с основными концепциями и характеристиками технологии TWC. Таким образом, цель этой статьи состоит в том, чтобы предложить обзор основных фундаментальных принципов работы TWC с образовательной точки зрения.В связи с этим работа организована следующим образом. Во-первых, объясняются принципы работы преобразователей TWC. После этого рассматриваются наиболее распространенные конструкции, используемые для устройств, а также типичные условия работы TWC. Затем приводятся скорости реакции, и, наконец, основное внимание уделяется уменьшению загрязняющих газов.
2.
Принципы работы трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов Двигатели внутреннего сгорания используют такт выпуска для удаления отработавших газов через выхлопную систему, где вредные выбросы затем проходят через устройство, похожее на глушитель, которое является каталитическим нейтрализатором [ 12,21].Компоненты отработавших газов состоят из несгоревших углеводородов, NO и CO [21]. Как упоминалось выше, основной целью каталитического нейтрализатора является снижение первоначальных вредных выбросов до наиболее приемлемого уровня посредством химических реакций, контролируемых катализатором. Поэтому необходимо уделить самое пристальное внимание конструкции двигателя, прежде чем выпускать газ в воздух [12]. Большинство автомобильных каталитических нейтрализаторов имеют конструкцию монолитной конструкции, на которую нанесено алюмооксидное покрытие.Монолитная структура называется ядром каталитического нейтрализатора, где ядро обычно представляет собой керамический монолит с сотовой конфигурацией. Цель сотовой структуры состоит в том, чтобы позволить гетерогенному катализу происходить на поверхности сотовой структуры. Металлический монолит изготавливается из FeCrAl, обладающего высокой термостойкостью. Покрытие также может состоять из оксида алюминия, диоксида кремния, диоксида титана или смеси оксида кремния и оксида алюминия [22]. Каталитические нейтрализаторы используют металлические катализаторы для ускорения желаемых реакций при более низких температурах [14].Обычно используемыми металлическими катализаторами могут быть неблагородные металлы (например, хром) и благородные металлы, такие как платина, палладий и родий [14]. Эти катализаторы можно использовать для окислительно-восстановительных реакций; восстановление N ₂ O и окисление несгоревших углеводородов и CO. Если используются металлы платины, палладия и родия, они могут быть частью решения для металлов платиновой группы (раствор PGM), которое также используется для покрыть сотовую структуру. Это позволит осуществлять гетерогенный катализ на поверхности активной зоны, что позволит производить менее токсичные газы (CO ₂ , азот и водяной пар) [23]. Еще одним компонентом каталитического нейтрализатора является его металлический корпус, который окружает ядро каталитического нейтрализатора. Этот металлический кожух направляет поток выхлопных газов через слой катализатора. Металлический корпус обычно изготавливается из нержавеющей стали, но поскольку используются низкотемпературные катализаторы, для конструкции каталитического нейтрализатора нержавеющая сталь может не понадобиться [24]. Схема конвертера TWC показана на рис. 1. Начальным этапом гетерогенного катализа является адсорбция реагентов, где адсорбция относится к связыванию молекул с поверхностью [12].Адсорбция будет происходить из-за высокой реакционной способности атомов/ионов на поверхности твердого тела, облегчая сотовый поток газа через конвертер и контролируя перепад давления. Поскольку в состав выхлопных газов также входят газообразный кислород и загрязняющие газы (CO, N ₂ O и несгоревшие углеводороды), атомы кислорода становятся доступными для реакции с другими адсорбированными загрязняющими газами. В случае СО атом кислорода реагирует с СО с образованием СО ₂ , и, таким образом, на заключительном этапе гетерогенного катализа СО ₂ десорбируется с поверхности металла и высвобождается в виде продукта из каталитического нейтрализатора.Эта концепция идентична как для N ₂ O, так и для несгоревших углеводородов. Вкратце, в конвертере TWC одновременные окислительно-восстановительные реакции состоят из трехсторонней системы, которая регулирует выбросы за счет окисления несгоревших углеводородов и CO и восстановления. NO _X [27] (в отличие от двухкомпонентных каталитических нейтрализаторов, где происходят только 2 реакции окисления, поэтому N ₂ O не восстанавливаются), поэтому трехкомпонентный каталитический нейтрализатор будет выполнять следующие функции:

(1)

Окисление несгоревших углеводородов, при котором в выхлопных газах присутствует газообразный кислород, происходит разрыв связей и атом кислорода реагирует с несгоревшими углеводородами с образованием CO ₂ и водяного пара в качестве конечных продуктов. Примером может служить окисление бензола (уравнение (1)):

2C6H6(г)+15O2(г)→12CO2(г)+2h3O(ж)

(1)
В этой конкретной реакции следует использовать палладий или платину. Несмотря на то, что палладий и платина имеют схожие химические свойства [28], палладий предпочтительнее платины из-за снижения эффективности конвертера, а это означает, что платина дезактивируется быстрее, чем палладий, поэтому эффективность конвертера будет снижаться очень быстро [29]. .

(2)

Окисление СО с образованием СО ₂ с использованием катализаторов нитрата платины или палладия. Газообразный кислород, присутствующий в выхлопных газах, адсорбируется на поверхности сотовой керамики, поэтому связь кислорода ослабевает, и поэтому атом кислорода реагирует с CO с образованием CO ₂ (уравнение (2)):

В качестве катализатора этой реакции можно использовать либо платину, либо палладий, поскольку они оба имеют очень похожие физические и химические свойства.

(3)

Восстановление N ₂ O с получением стабильного газообразного азота и кислорода (уравнение (3)). Поскольку это реакция восстановления, вместо нее используется родий. Поскольку это редкий тип благородного металла, родий обычно сплавляют с платиной или палладием.

2NOX(г)→XO2(г)+N2(г)

(3)
Металлический родий используется для этой реакции восстановления, потому что он является окислителем (веществом, которое теряет электроны) по сравнению с другими восстановителями, палладием и платиной.Для этих окислительно-восстановительных реакций количество газообразного кислорода, присутствующего в выхлопных газах, является критическим параметром. Если в выхлопных газах присутствовала более высокая концентрация газообразного кислорода, чем требуется, система определяется как обедненная, поэтому с большей вероятностью произойдет окисление несгоревших углеводородов и CO, поскольку в автомобиле меньше топлива. Однако, если в выхлопных газах присутствует более низкая концентрация газообразного кислорода, система определяется как богатая, поэтому более вероятно снижение N ₂ O, поскольку концентрация топлива выше необходимой. Таким образом, эффективность каталитических нейтрализаторов не всегда составляет 100 %. измеряется с помощью системы контура управления с обратной связью, где требуется точное измерение расхода топлива, а концентрация кислорода, выходящего из каталитического нейтрализатора, измеряется с помощью специального датчика [27].
3. Структура трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов

Для изготовления каталитического нейтрализатора необходимо учитывать следующие компоненты:

(1)

Катализатор (подложка).

Обычно сердцевина каталитического нейтрализатора представляет собой керамический монолит с открытым каналом или металлическую сотовую подложку, обеспечивающую место для катализатора [30]. Наиболее часто используемая структура, сотовая керамика, спроектирована так, чтобы максимально увеличить площадь поверхности (рис. 2) [31]. Большая площадь поверхности приведет к более высокой скорости реакции [32]. Кордиерит (2MgO-2Al ₂ O ₃ -5SiO ₂ ) является наиболее часто используемым типом монолита, поскольку он имеет большую площадь поверхности, большую открытую фронтальную площадь, низкую теплоемкость и хорошую механическую прочность [30, 33]. На рис. 2 показано, как катализатор размещается на канале монолита.

(2)

Washcoat

На поверхность сотовой керамической структуры наносится слой катализаторов на носителе. Тонкое покрытие суспензии на влажной основе наносится непосредственно на высокопористый материал, который содержит оксид алюминия, а также различные оксиды металлов или цеолиты [36]. Сотовую керамическую структуру обычно покрывают γ-Al ₂ O ₃ из-за его высокой устойчивости к более высоким температурам [14], который содержит около 0% каталитических материалов.1–0,15%, 20% оксида церия и стабилизаторы, такие как оксид бария. Редкоземельные и щелочные ионы могут улучшить стабилизацию [14]. Оксид церия смешивают с материалами катализатора, так как он используется для улучшения термической стабильности оксида алюминия и может накапливать и высвобождать O ₂ соответственно в бедных и богатых условиях [37]. Это тонкое покрытие суспензии на влажной основе затем высушивают и прокаливают, то есть нагревают твердые вещества до высокой температуры для удаления летучих веществ. Были проведены исследования по непосредственному нанесению металлических катализаторов на поверхность сотовой керамики без участие сушки и прокаливания.Согласно [38], этот метод включает использование электролиза (техника гальванического покрытия), при котором на подложку FeCrAl гальваническим способом наносится слой γ-Al ₂ O ₃ на катализаторе из оксида никеля (NiO); сотовая керамика погружается в раствор, и ионы оксида алюминия переносятся непосредственно на поверхность сот. Схематическая диаграмма, показывающая установку эксперимента, показана на рисунке 3. В результате [38] пришел к выводу, что выбросы CO были ниже 7 частей на миллион при использовании каталитического нейтрализатора в этом эксперименте.Материалы Washcoat выбираются для формирования шероховатой, неровной поверхности, которая увеличивает площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью подложки. Это покрытие защитит спекание каталитических металлических частиц даже при высоких температурах, которые могут достигать 1000 градусов Цельсия [39].

(3)

Раствор катализатора

Благородные металлы являются наиболее часто используемыми гетерогенными катализаторами, поскольку их можно сделать более термически устойчивыми к снижению низкотемпературной активности.Другая превосходная характеристика заключается в том, что они обеспечивают эквивалентную каталитическую активацию с меньшими объемами, чем неблагородные металлы. Поэтому для покрытия поверхности сотовой керамики используют небольшое количество благородных металлов в виде раствора, например нитраты палладия, платины и родия [14]. Этот тип гетерогенного каталитического раствора, называемый раствором МПГ, представляет собой раствор металлов платиновой группы, обладающих высокой устойчивостью к химическим воздействиям, а также очень высокой термостойкостью и коррозионной стойкостью [40], поэтому считается наиболее подходящим каталитическим раствором в каталитический нейтрализатор [41].Раствор PGM содержит платину, палладий и родий, где его химические и физические свойства показаны в таблице 1, и нанесен на сотовую керамическую структуру, поддерживаемую слоем нанесенных катализаторов из термостойких металлов [41]. Количество платины , палладия и родия, используемых в автомобильных катализаторах, зависит от типа автомобиля, производителя, страны, года выпуска и дополнительных факторов [40]. В преобразователях TWC соотношение Pt/Rh составляет 5 к 1, а отношение Pd/Rh составляет 7 к 1 [40]. По мере роста спроса на преобразователи TWC растет и спрос на МПГ [40].Около 15–20% мирового спроса на платину приходится на переработку использованных каталитических нейтрализаторов, однако требуемого количества платины недостаточно для удовлетворения растущего мирового спроса, отсюда сокращение запасов платины и рост цен на платину. Поэтому высокое значение МПГ стимулировало извлечение МПГ из отработанных каталитических нейтрализаторов [40], и это широко практикуется. Один из распространенных методов извлечения МПГ показан на Рисунке 4. Извлечение МПГ очень важно, поскольку оно обеспечивает дополнительный источник добычи этих металлов, тем самым защищая окружающую среду, ограничивая количество отходов, экономя эксплуатацию природных ресурсов, ограничивая потребление электроэнергии. потребление и уменьшение выбросов загрязняющих веществ [40].

(4)

Металлический кожух

Из-за механических колебаний внутри вагона и термических нагрузок металлический кожух просто необходим [43]. Кроме того, для направления потока выхлопных газов используется металлический кожух, поскольку поток газа является скалярной величиной (имеет только величину, но не направление). Высокая тепловая нагрузка может легко изменить форму подложки, поэтому для удержания керамики вместе требуется металлический корпус. При высоких термических напряжениях это может привести к остаточным пластическим деформациям [43].Металлический корпус может быть изготовлен в процессе консервирования. Желателен металлический корпус с тонкими стенками [44], так как это может обеспечить лучшую передачу тепла в окружающую среду, чтобы предотвратить нагревание каталитического нейтрализатора до 1000 ° C. Однако рассматривается вопрос долговечности и эффективности, так как высокие температуры могут привести к деформации каталитического нейтрализатора [45, 46]. В другой конструкции рассматривается вариант использования опорного мата, где он размещается между сотовыми керамический и стальной кожух, выступающий в качестве теплоизоляции.Схематическая диаграмма показана на рис. 5. Назначение опорного мата состоит в том, чтобы действовать как механическая опора монолита, обеспечивать теплоизоляцию и минимизировать возможность деформации оболочки [45]. Корпуса могут быть изготовлены из различных марок нержавеющей стали и являются неотъемлемой частью выхлопной системы. Поэтому разработчик должен учитывать различия в тепловом расширении и пределе текучести различных материалов [45]. Подложка и стальная оболочка каталитического нейтрализатора имеют разные коэффициенты теплового расширения, поэтому между обеими секциями имеется зазор.Зазор расширяется и сужается по мере изменения температуры преобразователя во время его использования [45]. Расширение зазора можно свести к минимуму, отрегулировав материал оболочки из нержавеющей стали, где предлагается использовать оболочки из ферритной стали (SS409), тепловое расширение которой примерно на 50% меньше, чем у аустенитной (SS310) [45,47].
5. Скорость реакции
Скорость реакции определяется как изменение концентрации реагентов и продуктов за определенный промежуток времени, или, проще говоря, скорость химической реакции [12].Реагенты, которые в случае каталитического нейтрализатора представляют собой выхлопные газы, выбрасываемые непосредственно из двигателя внутреннего сгорания, проходят внутрь каталитического нейтрализатора, где в результате этих реакций образуются продукты, из которых образуются нетоксичные газы. Чтобы определить, как каждая реакция происходит, и условия, необходимые для оптимизации реакции, необходимо знать факторы, влияющие на скорость реакции. Ключевыми факторами, влияющими на скорость реакции, будут температура реакции, давление, концентрация реагентов, площадь поверхности и катализаторы [12].
Если увеличить температуру реакции, кинетическая энергия молекул (энергия движения) увеличится. Увеличение кинетической энергии означает, что молекулы будут получать больше энергии для движения, поскольку кинетическая энергия — это энергия объекта, которую он имеет из-за своего движения. Это позволило бы молекулам двигаться чаще и сталкиваться друг с другом на более высоких скоростях, поэтому скорость реакции увеличилась бы. Таким образом, высокая температура более благоприятна для химической реакции, если ее необходимо ускорить.
Когда температура выхлопных газов составляет от 450 К до 500 К, эффективность преобразования NO составляет менее 10%, а концентрация генерируемого N ₂ O составляет менее 0,01% [61]. Это связано с тем, что при более низкой температуре в этих температурных условиях активность катализатора внутри пористой среды слишком низкая, поэтому реакция протекает медленно, что делает реакцию протекающей медленно. Однако при температуре 600 К эффективность преобразования NOx достигает 68%, что свидетельствует о том, что при повышении температуры активность катализатора, т.е.е., увеличивается кинетическая энергия катализатора. Высокая температура благоприятна. Для общей газовой реакции, если давление увеличивается, это сближает частицы газа, и поэтому в данном объеме больше молекул газа; допускает более частые столкновения. Поскольку скорость реакции зависит от количества столкновений, скорость реакции будет увеличиваться. Следовательно, продукты реакции образуются за гораздо более короткое время. Вероятность столкновения больше.Влияние давления на каталитическую активность исследуют путем изменения давления и наблюдения за превращением метана и СО ₂. Повышение давления с 1 до 2 и до 4 бар приводит к увеличению конверсии метана, CO и HCHO, а также к увеличению времени пребывания. Это имеет смысл, поскольку время пребывания — это время, необходимое для обработки одного (реакторного) объема сырья при определенных условиях питания. Следовательно, если давление увеличивается, концентрация газа в заданном объеме увеличивается, что увеличивает время пребывания [62].Что касается площади поверхности, то по мере ее увеличения «больше молекул подвергается воздействию» окружающей среды, поэтому столкновения между молекулами внутри каталитического нейтрализатора будут происходить чаще, поэтому больше продуктов будет производиться с более высокой скоростью, а это означает, что скорость реакции будет увеличиваться. [62].
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.

Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.

Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.

Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.

Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Внутри кредитной сделки Министерства энергетики для поддержки…

Первые в своем роде проекты по определению непроверены. Несмотря на изобилие капитала в области климатических технологий в наши дни, долина смерти для новых технологий все еще существует.

Но решения есть. И на этой неделе на Catalyst у нас есть тематическое исследование одного из них.

Управление кредитных программ Министерства энергетики США имеет потенциал в размере 40 миллиардов долларов, чтобы помочь решить именно такую проблему. Он только что объявил о своем первом условном обязательстве по гарантии кредита в размере 1 миллиарда долларов, чтобы помочь химической и энергетической компании Monolith расширить свой первый мегазавод в Небраске.

Monolith использует пиролиз метана — нагревание метана до высоких температур — для разделения газа на водород и сажу, которая является важным компонентом шин, пластика, резины и других материалов.

Это ключевой показатель того, на что Министерство энергетики расставляет свои приоритеты.

В подкасте мы представили обе стороны стола переговоров: Роба Хэнсона, генерального директора и соучредителя Monolith, и Джигара Шаха, директора Управления кредитных программ Министерства энергетики.

Джигар делится тем, что он слышал от кредиторов о том, почему гарантии по кредитам важны и почему коммерческие банки неохотно делают ставки на эти первые в своем роде заводы. Он также обращается к неверным представлениям о роли офиса в экосистеме климатических технологий.

Роб подробно рассказывает о десятилетнем процессе Monolith, направленном на достижение этой вехи, и указывает на ключевые различия между венчурным капиталом и инфраструктурным капиталом. Он также рассказывает о том, как может выглядеть вторая или третья в своем роде климатическая установка Monolith.

Catalyst поддерживается Atmos Financial. Atmos предлагает застрахованные FDIC чековые и сберегательные счета, которые инвестируют только в благоприятные для климата активы, такие как возобновляемые источники энергии, экологически чистое строительство и регенеративное сельское хозяйство. Современный банкинг для заботящихся о климате людей.Получите учетную запись за считанные минуты по телефону joinatmos.com .

Catalyst поддерживается группой антенн. На протяжении 25 лет Antenna сотрудничает с ведущими новаторами в области чистой экономики, чтобы создавать свои бренды и ускорять рост бизнеса. Если вы стартап, инвестор, предприятие или инновационная экосистема, создающая позитивные изменения, Antenna готова помочь вам в этом. Посетите антенна группы.com , чтобы узнать больше.

Катализ внутри гексамерной резорцинареновой капсулы

В этом отчете мы описываем наше исследование супрамолекулярных резорцинареновых капсул в качестве катализатора.Молекулярные капсулы представляют интерес не только из-за сходства их связывающих карманов с карманами природных ферментов, но и обладают потенциальными преимуществами для катализа. Из-за ограниченного внутреннего объема связывающих карманов обычно наблюдается селективность субстрата. Субстраты, инкапсулированные более эффективно, будут избирательно преобразовываться в присутствии менее подходящих субстратов. Такая селективность по размеру не может быть достигнута в обычном эксперименте с раствором. Кроме того, из-за различной химической среды внутри капсулы может наблюдаться различная селективность продукта.Кроме того, инкапсуляция реакционноспособных катализаторов в замкнутых средах может улучшить совместимость катализаторов для многокаталитических тандемных реакций. Хотя потенциальные преимущества проведения катализа внутри закрытых микроокружений общепризнаны, количество известных каталитически активных супрамолекулярных систем-хозяев все еще очень ограничено. Есть несколько причин, самая главная из которых заключается в том, что очень трудно предсказать каталитический потенциал известных супрамолекулярных систем-хозяев.В некоторых случаях даже поведение инкапсуляции хост-систем не полностью изучено или изучено. Поэтому очевидно, что необходимы дальнейшие исследования для изучения потенциала катализа внутри супрамолекулярных капсул. Наши первоначальные исследования в основном были сосредоточены на понимании загадочного поведения самособирающейся резорцинареновой капсулы I и близкородственной пирогаллолареновой капсулы II. После выяснения решающих различий между этими двумя системами мы исследовали каталитический потенциал капсулы I.Внутри его полости успешно проводились самые разные реакции. Наиболее важными примерами, выделенными в этом отчете, являются иминиевый катализ, циклизация терпенов «хвост к голове» и метатезис карбонил-олефинов. В случае иминиевого катализа, опосредованного пролином, нам удалось продемонстрировать, что энантиоселективность образования продукта увеличивается, когда реакция проводится внутри полости капсулы I. Это примечательно, поскольку капсула формируется из ахиральных строительных блоков и, следовательно, не добавляет хиральной информации к реакционной смеси.Циклизация терпенов «хвост к головке» является наиболее сложной реакцией, проводимой до сих пор внутри капсулы I. Циклические монотерпены эвкалиптол и α-терпинен были образованы с полезными выходами. Интересно, что эти продукты еще не были синтетически доступны в растворе непосредственно из предшественников ациклических терпенов. Кроме того, мы продемонстрировали, что сокаталитическая система капсулы I и HCl пригодна для метатезиса карбонил-олефинов. В экспериментах с раствором было показано, что HCl является неэффективным катализатором этой реакции.Это показывает, что различная химическая среда внутри супрамолекулярного контейнера может привести к изменению селективности продукта. В целом мы надеемся продемонстрировать в этом отчете, что исследования катализа внутри супрамолекулярных капсул, хотя и находятся еще в зачаточном состоянии, начинают давать первые синтетически значимые результаты.

В поисках более эффективного катализатора

Новые исследования показывают, что фазы, через которые проходят наноструктурированные материалы, чтобы стать эффективным катализатором, не уступают золоту.

Материаловед из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) Юрген Бинер и его сотрудники обнаружили, что путем реструктуризации нанопористых сплавов золота они становятся более эффективными катализаторами.

Наноструктурированные материалы обещают улучшить каталитическую активность и селективность, но мало известно о динамических композиционных и структурных изменениях, которые претерпевают эти системы во время предварительной обработки, что приводит к эффективному функционированию катализатора. (Катализатор — это вещество, которое позволяет химической реакции протекать обычно с большей скоростью или в других условиях, чем это возможно в противном случае.)

Группа использовала активированные озоном сплавы серебра и золота в форме нанопористого золота (npAu) в качестве примера для демонстрации динамического поведения биметаллических систем во время активации для получения функционирующего катализатора.

Нанопористое золото, пористый металл, может использоваться в электрохимических сенсорах, каталитических платформах, исследованиях свойств фундаментальной структуры в наномасштабе и регулируемом высвобождении лекарств. Он также отличается высокой эффективной площадью поверхности, регулируемым размером пор, четко определенным химическим составом сопряженных соединений, высокой электропроводностью и совместимостью с традиционными технологиями изготовления.

«Наши результаты показывают, что характеристика этих динамических изменений необходима для раскрытия полного потенциала биметаллических каталитических материалов», — сказал Бинер.

Advanced Электронная микроскопия in situ и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия были использованы для демонстрации того, что основные изменения структуры и состава происходят на пути к каталитическому действию.

Исследование опубликовано в выпуске журнала от 19 декабря Nature Materials .Другие учреждения включают: Гарвардский университет, Национальную лабораторию Лоуренса в Беркли и Брукхейвенскую национальную лабораторию.

Эта работа была поддержана в рамках Интегрированных мезомасштабных архитектур для устойчивого катализа, исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики США, Управлением науки, фундаментальных энергетических наук.

Матричная полимеризация РНК и усиленный рибозимный катализ внутри безмембранных компартментов, образованных коацерватами

Влияние полиаминов на матричную полимеризацию РНК

Сначала мы попытались понять, как химическая идентичность полиаминов, образующих сложные коацерваты, влияет на матричную полимеризацию РНК с активированными нуклеотидами (рис. 1а). Мы провели направленные на матрицу реакции удлинения праймера при pH 8,0 в присутствии различных полиаминов (рис. 1b), которые в значительной степени протонированы при этом pH. Чтобы изучить влияние самих полиаминов, мы проводили реакции в отсутствие других полиионов, кроме комплекса РНК-праймер-матрица (т.е. без других полианионов, вызывающих коацервацию). Матричную полимеризацию РНК оценивали по сдвигам электрофоретической подвижности (+1, +2, +3 и т. д.), возникающим при включении нуклеотидов (рис.1с). Мы наблюдали значительное ингибирование общего количества продукта, образованного удлинением праймера через 5 часов в присутствии общего положительного заряда ≥500 мкМ от PAH-260 (рис. 1c). Аналогичным образом, олигоаргинин (R ₁₀ ) также показал ингибирование при общем положительном заряде ≥ 500 мкМ, при этом выход продукта снизился более чем наполовину по сравнению с реакциями в отсутствие каких-либо катионных полимеров. Хотя R ₁₀ имеет более низкую плотность заряда, чем ПАУ-260 (~6,2 против 17 зарядов/кДа), уровень ингибирования для этих поликатионов одинаков. Недавно сообщалось, что 10-мерный олигоаргинин ингибирует катализируемую рибозимом полимеризацию РНК при 10 мкМ ³¹ ; предполагая, что ингибирование химии РНК олигоаргинином может быть распространенным явлением. Сообщалось, что катализируемая рибозимами полимеризация РНК усиливается в присутствии 10-членного олиголизина и других гетеропептидов, полученных из ядерных белков рибосомы ³¹ ; однако мы не наблюдали какого-либо значительного усиления или ингибирования матричной полимеризации РНК в присутствии 10-мерного олиголизина (K ₁₀), плотность заряда которого равна 6.3 заряда/кДа. Однако полимеризация, направленная на матрицу, ингибировалась более крупным 100-мерным полилизином (K ₁₀₀), а также протамином, который представляет собой природный белок, богатый аргинином (~ 5 зарядов / кДа) (дополнительная фигура 1a, b слева). Эти данные свидетельствуют о том, что плотность заряда не может быть основным фактором ингибирования полимеризации, направленной на матрицу.
Рис. 1
Влияние полиаминов на темплатную полимеризацию. a Комплекс праймер (красный) и матрица (черный), используемый для направленной полимеризации с использованием гуанозин-5′-(фосфор)-2-метилимидазолида (2-Me-ImpG). b Используемые структуры полиаминов. c Репрезентативные изображения денатурирующего полиакриламидного геля показывают удлинение ³² P-меченого праймера. Дорожка Ctrl указывает на реакцию без какого-либо катионного полимера, а NR указывает на отсутствие реакции в отсутствие мономера, дорожки 1–8 содержат 0,050, 0,10, 0,50, 1,0, 2,5, 5,0, 7,5 и 10 мМ общего положительного заряда ПАУ-260 (синий ), R ₁₀ (оранжевый), K ₁₀ (темно-розовый) и PDAC-53 (зеленый). Реакции проводили в течение 5 ч и содержали < 50 нМ праймера с меченым 5'-концом и 1 мкМ матрицы в 25 мМ трис-HCl, рН 8.0 и 5 мМ MgCl ₂ . Долю, превращенную в продукт, нормализовали по выходу в отсутствие какого-либо контроля катиона. Столбики погрешностей представляют SEM. из трех независимых экспериментов. Необрезанные изображения геля показаны на дополнительной фигуре 14a. ионно-парные взаимодействия по сравнению с ПАУ ²⁶ .Мы пришли к выводу, что более слабые взаимодействия между поликатионным компонентом и комплексом полианионной РНК-праймер-матрица из-за скрытого положительного заряда могут уменьшить помехи полимеризации, направленной на матрицу. Поразительно, но полимеризация, направленная на матрицу, поддерживалась до 10 мМ общего положительного заряда PDAC-53 (рис. 1c). Кроме того, на реакцию не повлияло присутствие PDAC с ~ 930 мономерами (PDAC-930) (дополнительная фигура 1b, справа). Эти результаты позволяют предположить, что ингибирование матричной полимеризации полиаминами может, таким образом, быть ослаблено в случаях, когда амины конформационно заблокированы, а положительный заряд, возникающий в результате протонирования атомов азота, экранируется другими функциональными группами, предотвращая сильные и мешающие взаимодействия с нуклеиновой кислотой. .Разница в ингибировании между K ₁₀ и K ₁₀₀ может быть связана с повышенной поливалентностью и гибкостью K ₁₀₀ по сравнению с K _10. Не было обнаружено существенной разницы в количестве 2-Me-ImpG, оставшегося после 5 часов инкубации в присутствии различных поликатионов, что позволяет предположить, что наблюдаемое ингибирование не было связано с реакцией полиаминов с 2-Me-ImpG (дополнительная фигура 1c). Эти результаты согласуются с предыдущими наблюдениями, когда только около 12% 2-Me-ImpG разлагалось в присутствии спермина за 18 дней при pH 7.0 ³² . Изображения микроскопии показали, что при концентрации общего заряда 1 мМ ПАУ и R ₁₀ способны образовывать разделенные фазы капли с 10 мМ 2-Me-ImpG даже в отсутствие более длинных полианионов (дополнительная фигура 2). Эти данные согласуются с большей склонностью этих полиаминов к ионно-парным взаимодействиям не только с комплексом праймер/матрица, но даже с нуклеотидными мономерами. Для изучения эффекта коацервации мы сосредоточили наше внимание на PDAC-53 и K ₁₀ , которые не образовывали каких-либо обнаруживаемых капель с нуклеотидным мономером.

Коацерваты PDAC поддерживают полимеризацию, направленную на матрицу

Затем мы исследовали пригодность различных коацерватов для полимеризации РНК, направленной на матрицу. Молекула 11-мерной полиА РНК (rA ₁₁) использовалась в качестве полианиона для управления фазовым разделением PDAC-53, K _10, или R ₁₀ при 10 мМ, балансе заряда 1: 1 (дополнительная фигура 3a , верхние панели). Флуоресцентно меченный РНК-праймер, предварительно отожженный на матрице, использовали для проверки селективного разделения РНК внутри коацерватной фазы (дополнительная фигура 3a, нижние панели).Чтобы оценить концентрации РНК-праймера внутри коацерватной фазы, флуоресценцию в каплях сравнивали со стандартной кривой, полученной в буфере (дополнительная фигура 3b). Когда к массе добавлялось всего 0,5 мкМ праймера в комплексе с 0,75 мкМ матрицы, расчетные концентрации праймера внутри коацерватных фаз составляли около 78 ± 6, 30 ± 1 и 56 ± 12 мкМ для PDAC-53, K _{. 10} и R ₁₀ коацерваты, соответственно, указывая на то, что все три коацерватные системы прочно распределяют РНК внутри конденсированной фазы.

Затем мы сравнили направленную по матрице полимеризацию РНК в присутствии коацерватов, полученных с использованием PDAC-53, K ₁₀ или R ₁₀ в качестве поликатиона и rA ₁₁ в качестве полианиона. Для запуска коацервации использовали 10 мМ общего положительного заряда от каждого из катионных полимеров и 7,5 мМ общего отрицательного заряда от rA ₁₁. Этот дисбаланс заряда был выбран для облегчения захвата коацерватом 2-Me-ImpG, который в условиях реакции имеет один отрицательный заряд.Доля праймера, превращенного в полимеризованные продукты в результате полимеризации, направленной по шаблону, в коацерватах PDAC-53/rA ₁₁ и K ₁₀ /rA ₁₁ была аналогична буферу и составляла около 50% через 5 часов, но выходы были ниже для Коацерваты R ₁₀ /rA ₁₁, около 30% через 5 часов (рис. 2а). Эксперименты с микроскопией показали, что коацерваты PDAC-53/rA ₁₁ остаются стабильными в течение времени направленной на матрицу полимеризации РНК (дополнительная фигура 4a).
Рис. 2
Коацерваты PDAC/rA ₁₁ РНК поддерживают полимеризацию, направленную на матрицу. a Реакции матричной полимеризации в присутствии коацерватов. Коацерваты были образованы путем добавления соответствующих поликатионов (10 мМ общего положительного заряда) к растворам, содержащим 10 мМ 2-me-ImpG и 7,5 мМ общего отрицательного заряда из rA ₁₁ в 5 мМ Mg и 25 мМ Трис-HCl pH 8,0. Реакции инициировали путем добавления предварительно отожженного РНК-праймера с меченой 5′-концом и немеченой матрицы и инкубировали при комнатной температуре, а временные точки были взяты в 0 мин, 15 мин, 30 мин, 1 ч, 1.5 ч, 2 ч, 3 ч и 5 ч. Образцы разделяли денатурирующим PAGE. Общий объем образовавшегося продукта рассчитывали путем количественного определения всех видимых полос на данной дорожке. Данные соответствовали экспоненте первого порядка. Столбики погрешностей представляют SEM из трех независимых экспериментов. b Реакции были инициированы как a , за исключением того, что концентрация Mg была снижена до 1 мМ для замедления реакций. Реакции немедленно центрифугировали при 14000× g после инициации. Затем объемную фазу отделяли от конденсированной фазы, и двум фазам давали реагировать отдельно в течение 5 часов.Количественные оценки выхода продукта показаны для конденсированных фаз. Столбики погрешностей представляют SEM. из трех независимых экспериментов. c Кривые восстановления FRAP для Cy3-меченого РНК-праймера в коацерватах PDAC/rA ₁₁ и R ₁₀/rA ₁₁ при 10 мМ условиях сбалансированного заряда. Показано, как лучше всего подходит к уравнению. (2) (пять независимых испытаний). Репрезентативные изображения PDAC/rA ₁₁ (вверху) и R ₁₀/rA ₁₁ (внизу). Масштабная линейка 5 мкм. Необрезанные изображения геля показаны на дополнительной фигуре 14b, c

. Чтобы продемонстрировать, что реакция полимеризации, направленная на матрицу, происходит внутри сложных коацерватов, а не в разбавленной фазе, мы центрифугировали реакции и разделили объемный супернатант и конденсированную фазу.Реакциям давали возможность протекать независимо в разделенных фазах. Количественная оценка радиомеченого сигнала на изображении геля как для коацерватов, так и для супернатантов показала, что >90% праймеров перешло в конденсированную фазу для коацерватов PDAC-53 и R ₁₀, в то время как ~85% и ~65% РНК остались в конденсированная фаза для ПАУ-260 и K ₁₀ соответственно (дополнительная фигура 4b). Кроме того, более высокие полосы (N + 2 и N + 3) наблюдались только для коацерватов, содержащих PDAC-53 и rA ₁₁, что указывает на значительную матричную полимеризацию РНК (рис.2б). Эти данные показывают, что среди протестированных коацерватных композиций только коацерваты PDAC-53/rA ₁₁ подходят для получения более длинных РНК-полимеров в результате матричной полимеризации РНК. Следует отметить, что мы наблюдали добавление до двух нуклеотидов в супернатантной фазе коацерватов R ₁₀ /rA ₁₁, что позволяет предположить, что полимеризованные полосы на рис. 2a для этого состояния, вероятно, возникают в результате реакции в разбавленной фазе. И, наконец, чтобы проверить, оказывает ли идентичность полианиона какое-либо существенное влияние на полимеризацию, направленную на матрицу, мы провели полимеризацию, направленную на матрицу, в условиях коацервации с использованием олигоаспарагиновой кислоты (D ₁₀) с различными поликатионами.Олигоаспарагиновая кислота была выбрана потому, что Asp считается одной из первых аминокислот ³³ . Выходы продукта через 1,5 часа были одинаковыми для реакций, проведенных в буфере, и в коацерватах PDAC/rA ₁₁, PDAC/D ₁₀ и K ₁₀ /D ₁₀ (дополнительная фигура 4c, 27–22%). . Однако выход продукта был значительно снижен для коацерватов R ₁₀ /D ₁₀ (7,5%). Эти данные свидетельствуют о том, что олигопептиды могут также выполнять роль полианиона для образования коацерватов, поддерживая полимеризацию, направленную на матрицу.

Чтобы лучше понять различия между конкретными коацерватами, мы выполнили восстановление флуоресценции после экспериментов по фотообесцвечиванию (FRAP), которые могут сообщить о физических свойствах молекул внутри биогенных и абиогенных безмембранных компартментов ^18,19,34 . FRAP Cy3-меченого РНК-праймера (рис. 2c) выявил значительно более быстрое восстановление флуоресценции в коацерватах PDAC-53/rA ₁₁ по сравнению с коацерватами R ₁₀ /rA ₁₁. Период полувосстановления флуоресценции ( t _1/2 ) составлял 27 ± 3 с для коацерватов PDAC/rA ₁₁ и 101 ± 6 с для коацерватов R ₁₀/rA 102225.Структурный анализ показал, что аргинин доминирует в качестве наиболее часто встречающейся аминокислоты на поверхности связывания РНК-аптамеров и их белковых мишеней ³⁵ , предположительно из-за его способности взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами посредством множественных механизмов. Сильные взаимодействия аргинин-РНК могут также объяснить более медленную диффузию РНК в этой конденсированной фазе и плохую полимеризацию РНК (см. выше). Эксперименты FRAP, в которых коацерваты содержали Cy3-меченый РНК-праймер в комплексе с матрицей, показали аналогичную тенденцию с периодом полураспада восстановления флуоресценции ( t _1/2 ) 49 ± 5 с и 250 ± 64 с для PDAC- Коацерваты 53/rA ₁₁ и R ₁₀/rA ₁₁ соответственно (дополнительный рисунок 5a).В целом кажущиеся коэффициенты диффузии были в четыре-пять раз выше для PDAC-53/rA ₁₁ по сравнению с коацерватами R ₁₀ /rA ₁₁, независимо от того, была ли РНК-праймер одноцепочечной или частью дуплекса с шаблон (дополнительный рисунок 5b).

Полиамины восстанавливают полимеризацию при субоптимальном уровне магния

Ранее мы сообщали о высокой концентрации Mg ²⁺ внутри коацерватов ПАУ/АТФ ¹⁷ . Чтобы проверить, коацерваты PDAC/rA ₁₁ также концентрируют Mg ²⁺, мы измерили уровни Mg ²⁺ внутри конденсированной фазы с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС). Мы оценили объемы коацерватов PDAC/rA ₁₁ путем центрифугирования нерасфасованного раствора коацервата и сравнения со стандартами, где 20 мкл нерасфасованного раствора давали около 1 мкл коацерватной фазы (дополнительная фигура 6a). Для расчета уровней Mg ²⁺ были приготовлены коацерватные растворы с 5 мМ общего Mg ²⁺. Образцы центрифугировали и измеряли Mg ²⁺, оставшийся в супернатанте (дополнительная фигура 6b). Около ~27% от общего количества Mg ²⁺ локализовано в коацерватной фазе для системы PDAC/rA ₁₁.Исходя из предполагаемого объема коацервата 1 мкл, это соответствует 26 ± 3 мМ Mg ²⁺ (рис. 3a).
Рис. 3
Темплатная полимеризация при субоптимальных концентрациях Mg. Уровни a Mg ²⁺ измеряли с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии. Растворы с 5 мМ MgCl ₂ получали в 25 мМ Трис-HCl pH 8,0 с указанными анионами и катионами с последующим центрифугированием при 14000× g в течение 2 мин. Перед измерением часть надосадочной фазы удаляли и разбавляли водой.Столбики погрешностей представляют диапазон значений из двух экспериментов. b Выходы темплатной полимеризации при различных количествах добавленного Mg в присутствии и в отсутствие коацерватов PDAC-53/rA ₁₁. c Количественное определение из b . Столбики погрешностей представляют SEM. из трех независимых экспериментов. d Реакции матричной полимеризации проводили, как описано ранее, в присутствии или в отсутствие указанных молекул и ионов. Необрезанные изображения геля показаны на дополнительной фигуре 15a, b

. Чтобы определить, будет ли коацервация с помощью PDAC/rA ₁₁ способствовать направленной на матрицу полимеризации РНК при субоптимальной общей концентрации магния, мы провели реакции при различных количествах Mg ^{. 2+} (рис.3б). Выше 1 мМ Mg ²⁺ увеличения выхода продукта при коацервации по сравнению с буферными условиями не наблюдалось. Однако в присутствии только 0,5 мМ Mg ²⁺ наблюдалось увеличение выхода продукта в растворах коацервата по сравнению с буфером. Следует отметить, что хотя мы оцениваем примерно 26 мМ Mg ²⁺ в коацерватах, выходы полимеризации при добавлении 5,0 мМ Mg ²⁺ несоизмеримы с пятикратным увеличением Mg ²⁺ , что позволяет предположить, что Mg Одна только концентрация ²⁺ недостаточна для усиления направленной темплатной полимеризации в коацерватах.К нашему удивлению, мы наблюдали значительное образование продукта, даже когда магний полностью исключался из буфера (рис. 3b, c). Эти данные указывают на то, что положительный заряд в PDAC может активно участвовать в химии в отсутствие ионов металлов.

Для дальнейшего изучения этой возможности мы провели реакции, направленные на матрицу, в 0 и 1 мМ добавленном MgCl ₂ в отсутствие rA ₁₁ , т. е. без полианиона для коацервации (рис. 3d). В этом эксперименте 5 мМ ЭДТА добавляли к хелатным фоновым дивалентам, которые могут способствовать катализу. Добавление ЭДТА по существу останавливало медленную реакцию в отсутствие добавленного Mg ²⁺ (рис. 3d, дорожка 3), что позволяет предположить, что ЭДТА служит для секвестрации двухвалентных ионов в следовых количествах. Удивительно, но в присутствии 5 мМ ЭДТА и без добавления Mg ²⁺ выход матричной полимеризации был увеличен в восемь раз с помощью PDAC-53 (рис. 3d, дорожка 5 и дополнительная фигура 7a). Добавление 5 мМ ЭДТА останавливало реакцию полимеризации в 1 мМ Mg ²⁺ (выход 27% против 4%), которая восстанавливалась с помощью PDAC-53 в той же степени, что и без добавления Mg ²⁺, как и ожидалось ( 4% против 27%) (рис.3d, дорожки 7 и 9 и дополнительный рисунок 7a). Более того, 1 мМ положительный заряд в PDAC-53 активирует реакцию в той же степени, что и 1 мМ Mg ²⁺ (рис. 3d, дорожки 8 и 9). Добавление 1 мМ ЭДТА к реакциям, содержащим 1 мМ MgCl ₂, ингибировало полимеризацию, в то время как существенно не влияло на реакции, содержащие 5 мМ MgCl ₂ (дополнительная фигура 7b, дорожки 2 и 3 по сравнению с 6 и 7), что указывает на то, что ингибирование ЭДТА действительно происходит из-за секвестрации Mg ²⁺ и что ЭДТА сама по себе не ингибирует реакцию. Кроме того, в отличие от полимера PDAC-53, мономеры тетраметиламмония не восстанавливали полимеризацию в присутствии ЭДТА (дополнительная фигура 7c). Эти данные свидетельствуют о том, что усиление полимеризации, вероятно, связано с благоприятным вкладом полимера полиамина.

Активный РНК-аптамер внутри коацерватов

Функция аптамера, связывающего малые молекулы, имеет большое значение для возникновения жизни, поскольку метаболические рибозимы, вероятно, необходимы для формирования карманов связывания для связывания небольших метаболитов.Аптамер брокколи, аналогичный аптамеру шпината ³⁶, использует точную трехмерную структуру РНК для связывания с красителем 3,5-дифтор-4-гидроксибензилиден имидазолиноном (DFHBI) и активации его флуоресценции ³⁷ . In vitro реакции транскрипции аптамера шпината были выполнены в коацерватах комплекса спермидин/полиU ³⁸ . Мы стремились понять, могут ли и насколько хорошо коацерваты PDAC-53/rA11 поддерживать активность РНК-аптамера. Когда к коацерватам PDAC-53/rA ₁₁ добавляли только DFHBI, внутри капель не наблюдалось флуоресценции, что свидетельствует о том, что коацерваты сами по себе не индуцируют флуоресценцию DFHBI (рис.4а). Затем была измерена котранскрипционная флуоресценция для стабилизированного димерного аптамера брокколи ³⁹ (sdB) и его неактивного мутанта для проверки индуцированной аптамером флуоресценции (дополнительная фигура 8a). Очищенный аптамер sdB образовывали комплекс с красителем и добавляли к смеси, содержащей коацерват PDAC-53/rA ₁₁. Флуоресцентные капли коацервата указывали на то, что аптамер sdB оставался естественным образом свернутым внутри коацервата (рис. 4а). Важно отметить, что в коацерватах с мутантным сайтом связывания G63C/G87C (эквивалент G в каждом домене аптамера) флуоресценции не наблюдалось (фиг.4а и дополнительный рисунок 8а) ³⁷ . Кроме того, капли флуоресцировали, когда РНК позволяли диффундировать в коацерваты, уже содержащие лиганд, или когда лиганду позволяли диффундировать в коацерваты, уже содержащие РНК (дополнительная фигура 8b). Эти данные указывают на то, что соответствующие малые молекулы и РНК могут легко поглощаться коацерватами и оставаться нативно свернутыми. Сходные интенсивности флуоресценции были измерены, когда комплекс аптамер sdB-DFHBI находился в буфере, по сравнению с коацерватами PDAC-53/rA11, в то время как флуоресценция оставалась близкой к фону в отсутствие аптамера РНК в буфере и в коацерватах (рис.4б). Эти данные свидетельствуют о том, что фракция аптамера РНК, свернутая в функциональную форму, одинакова в коацерватах и в буфере.
Рис. 4
Активный РНК-аптамер, складывающийся внутри PDAC/rA ₁₁ коацерватов. a (слева) Модель стабилизированной димерной РНК брокколи (sdB), нарисованная в NUPACK ^55,, и изображения конфокальной микроскопии (справа) коацерватов PDAC-53/rA ₁₁, содержащих sdB РНК в комплексе с красителем DFHBI. Флуоресценции не наблюдается, когда коацерваты содержат только краситель DFHBI или неактивный мутант аптамера. Коацерваты содержали 100 нМ sdB РНК и 10 мкМ DFHBI в 25 мМ Трис, рН 8,0, 5 мМ MgCl ₂ и 5 мМ KCl. Для возбуждения использовался лазер с длиной волны 488 нм, а окно излучения составляло 500–550 нм. Масштабная линейка составляет 20 мкм. b Измерение объемной флуоресценции РНК-аптамера sdB в присутствии и в отсутствие коацерватов PDAC-53/rA ₁₁. Столбики погрешностей представляют SEM. ( n = 3) из трех независимых экспериментов.Мы оценили реакции расщепления полноразмерного рибозима с головкой молотка (HHRz) (рис. 5а) в фазах коацервата (отделенных от фаз супернатанта) коацерватов PDAC-53/rA ₁₁ или R ₁₀ /rA ₁₁. Расщепленная фракция была относительно меньше для коацерватов PDAC/rA ₁₁ и R ₁₀/rA ₁₁ по сравнению с буфером через 1 час. При 1 мМ Mg ²⁺ выходы составляли 66%, 31% и 11% для буфера, коацерватов PDAC/rA ₁₁ и R ₁₀ /rA ₁₁ соответственно. Выходы были значительно выше (примерно в 3 раза) для коацерватов PDAC-53/rA ₁₁ по сравнению с R ₁₀ . Как и ожидалось, после разделения фазы коацервата в фазе супернатанта почти не наблюдалось сигнала (дополнительная фигура 9a). Эти данные свидетельствуют о том, что коацерваты PDAC-53/rA ₁₁ поддерживают не только матричную полимеризацию РНК, но и каталитические функции РНК.
Рис. 5
Повышенная активность рибозимов в коацерватах. a Структура рибозимно-субстратного комплекса «головка молотка».Место расщепления указано красной стрелкой. b Изображения геля, показывающие расщепление рибозима при различных концентрациях Mg ²⁺ в коацерватной фазе через 1 ч. Разбавленную и коацерватную фазы разделяли сразу после начала реакции. Реакции содержали 25 мМ Tris·HCl, pH 8,0, 5 мМ NaCl, и показывали Mg ²⁺ . c Репрезентативные изображения геля, показывающие расщепление рибозима в буфере или в коацерватах PDAC-53/D ₁₀ при концентрации рибозима 1 нМ и 5 нМ; данные были количественно определены из гелей выше и соответствуют уравнению. (1). Реакции в буфере (синяя кривая) и коацерватах PDAC/D ₁₀ (зеленая кривая) проводили при комнатной температуре в 25 мМ трис-HCl pH 8,0, 1 мМ MgCl ₂ и 2,5 мМ KCl. Для 1 и 5 нМ фермента наблюдаемые константы скорости составляют 0,05 ± 0,02 и 0,05 ± 0,02 мин ^-1 для реакций в буфере и 0,06 ± 0,01 и 0,12 ± 0,01 для реакций в коацерватах. d Репрезентативное изображение геля, показывающее расщепление рибозима через 1 час реакции в 25 мМ трис-HCl, pH 7,5, 1 мМ MgCl ₂ и 2.5 мМ KCl. NR не содержал рибозима, +ve ctrl содержал 250 нМ рибозима, а все остальные дорожки содержали 2,5 нМ фермента. Коацерваты содержали 15 мМ общего положительного заряда от различных поликатионов и 15 мМ общего отрицательного заряда от D _10. Выходы продукта нормализовали до «+ve ctrl». Все планки погрешностей представляют SEM. ( n = 3) из трех независимых экспериментов. Необрезанные изображения геля показаны на дополнительной фигуре 16a, b

. Затем мы спросили, могут ли коацерваты действительно повышать активность рибозимов.Наши лаборатории ранее сообщали о повышенной активности рибозима «головка молотка» в водных двухфазных системах (ATPS) ПЭГ и декстрана ²⁸ . Мы стремились понять, может ли концентрация биомолекул путем коацервации также приводить к усилению рибозимных реакций при низких концентрациях ферментов. Чтобы исследовать эту возможность, мы измерили кажущуюся константу диссоциации ( K _D ) между рибозимом и субстратом, которая составила 220 ± 10 нМ при 1 мМ MgCl ₂ и 28 ±2 3 нМ при 25 02909 мМ2 MgCl2. на фоне 2.5 мМ KCl (дополнительная фигура 9b). Затем мы оценили концентрацию рибозима внутри коацерватов PDAC-53 и олигоаспарагиновой кислоты (D ₁₀), используя рибозим в виде головки молотка с флуоресцентной меткой и сравнив флуоресценцию внутри коацерватов со стандартами. PDAC-53/D ₁₀ коацерватов действительно концентрировал рибозим, при этом концентрация ферментной цепи внутри коацервата составляла 45 ± 3, 110 ± 5 и 140 ± 9 мкМ, когда только 10, 25 и 50 нМ флуоресцентно меченый рибозим был добавлен к массе коацерватов соответственно (дополнительная фигура 10).

Чтобы выяснить, может ли такое накопление рибозима в коацерватах усиливать катализ, мы провели реакции расщепления молотком в присутствии коацерватов PDAC-53/D ₁₀. Когда концентрации цепи фермента снижались до 1 нМ и 5 нМ в 1 мМ Mg ²⁺ , т. е. ниже массы K _D, чтобы оставаться в условиях k _cat / _{6 M _{60 9 , расщепление рибозима было значительно снижено только с максимальным расщеплением 4-6% (рис.5в). Удивительно, но даже при этих концентрациях наблюдалось 33–45% продукта расщепления, когда реакцию проводили в присутствии коацерватов PDAC/D ₁₀. Другими словами, реакции, проводимые только в буфере, давали в 5–10 раз меньше продукта в любой момент времени. Важно отметить, что реакции, проводимые в присутствии только PDAC-53 или D ₁₀, не повышали активность рибозима (дополнительная фигура 11), демонстрируя, что механизм усиления обусловлен коацервацией.Наконец, чтобы проверить, является ли усиление рибозимной реакции поликатион-специфическим, мы провели реакцию в присутствии коацерватов, содержащих PDAC, K ₁₀ или R ₁₀ в качестве поликатионов и D ₁₀ в качестве полианиона. При низкой концентрации фермента коацерваты, содержащие как PDAC, так и K ₁₀, показали значительно повышенный выход продукта по сравнению с буфером (рис. 5d), в то время как выход продукта в присутствии коацерватов, содержащих R ₁₀, был относительно низким.В совокупности эти данные указывают на то, что сложные коацерваты могут не только поддерживать катализ РНК, как описано ранее ³⁰ , но также обеспечивать микроокружение, которое усиливает катализ РНК, когда РНК недостаточно, за счет концентрации молекул РНК.}}

Активация мультидоменного расщепленного рибозима коацерватами

Другим потенциальным механизмом активации реакции коацерватами является их способность концентрировать небольшие молекулы, которые могут служить кофакторами в катализе ^17,18 .Чтобы оценить эту возможность, мы исследовали многодоменную реакцию шпилечного рибозима ⁴⁰, которая стимулируется спермином при низких концентрациях магния ⁴¹ (рис. 6а). В многодоменном рибозиме с расщепленной шпилькой комплекс субстрата (синий) и связывающая субстрат нить (черный) образуют «петлю А» рибозимной системы. «Петля B» образована отдельной цепью фермента (зеленая). Сначала мы подтвердили ранее опубликованную ⁴⁰ расщепляющую активность многодоменного рибозима с расщепленной шпилькой в 25 мМ MgCl ₂ и 25 мМ KCl при pH 7.5, и при насыщающих концентрациях фермента и нитей, связывающих субстрат, в отсутствие коацерватов. В этих условиях легко наблюдалось расщепление субстрата (рис. 6а, изображение геля и 6б, синяя кривая). Когда петля B и нити, связывающие субстрат, были уменьшены до 25 нМ и 50 нМ, соответственно, в буфере, содержащем 2,5 мМ MgCl ₂ и 2,5 мМ KCl, никакого обнаруживаемого продукта не наблюдалось (рис. 6b, левое изображение и оранжевая кривая). ). Небольшое увеличение выхода продукта наблюдалось при добавлении в реакцию спермина (общий положительный заряд 5 мМ) в отсутствие коацерватов (рис. 6b, среднее изображение и зеленая кривая), но общий выход был значительно ниже по сравнению с насыщающими концентрациями петли A и петли B. Затем мы провели реакцию в гибридной коацерватной системе PDAC-53 и спермина в виде поликатионов с полиаспарагиновой кислотой, D ₃₀ , как полианион. Неожиданно в этих условиях расщепление рибозима было значительно усилено по сравнению с реакциями в низком Mg ²⁺ и K ⁺ без коацерватов (рис. 6b, правое изображение и черный след).Важно отметить, что когда присутствуют только PDAC-53 и D ₃₀, не наблюдается повышения активности рибозима (дополнительная фигура 12b), несмотря на присутствие коацерватов. Аналогичным образом, когда в реакции присутствуют спермин и D ₃₀, усиления не наблюдается, и в этих условиях коацерваты отсутствуют (дополнительная фигура 12c). В совокупности эти данные указывают на то, что сложные коацерваты могут также усиливать катализ рибозимов за счет инкапсуляции кофакторов, стимулирующих реакции.
Рис. 6
Концентрация кофакторов в коацерватах усиливает шпилечный рибозимный катализ. a Согласованная вторичная структура мономолекулярного шпилечного рибозима с консервативными нуклеотидами (слева), сайт расщепления указан красной стрелкой. Многодоменный расщепленный шпильковый рибозим, в котором петля A состоит из субстрата (синий) и связывающей субстрат цепи (черный), а домены петли B разделены (зеленый). Показано изображение геля, показывающее расщепление субстрата.Реакцию проводили в буфере, содержащем 25 мМ Tris-HCl pH 7,5, 25 мМ MgCl ₂ и 25 мМ KCl. Реакции содержали 1 нМ субстрата, 1 мкМ нити, связывающей субстрат, и 1 мкМ домена петли B. b Расщепление субстрата домена петли А рибозимом в субоптимальных условиях. Все реакции проводили в 25 мМ Tris·HCl pH 7,5, 2,5 мМ MgCl ₂ и 2,5 мМ KCl с дополнительными компонентами, как указано. Реакции содержали 1 нМ субстрата, 50 нМ субстратсвязывающей цепи и 25 нМ домена петли B.Коацерваты были образованы PDAC-53 и спермином при общем положительном заряде 5 мМ от каждого и 10 мМ общего отрицательного заряда от полиаспарагиновой кислоты (D ₃₀). Временные точки были взяты на 0, 2,5, 15, 30, 60, 90 и 120 мин. Графики, показывающие зависимость доли расщепленного продукта от времени, показаны справа. Образовавшиеся фракции продукта соответствовали уравнению (1). Цвета на графике соответствуют меткам изображений геля. Все планки погрешностей представляют SEM. ( n = 3) из трех независимых экспериментов. Необрезанные изображения геля показаны на дополнительной фигуре 17a.

Коацерват-опосредованное усиление ДНКзима

Поскольку коацерват-зависимое усиление в первую очередь связано с эффектом концентрации, мы стремились понять, можно ли его применять к другим каталитическим системам, помимо РНК-ферментов.Фермент дезоксирибонуклеиновой кислоты 10–23 (DNAzyme) был выбран для расщепления молекул РНК путем эволюции in vitro ⁴² . При 2,5 мМ MgCl ₂ и насыщающих концентрациях ДНКзима мы наблюдали эффективное расщепление субстрата с выходом около 65% через 1,5 часа (рис. 7а). Однако, когда концентрация фермента была снижена до 5 нМ, реакция расщепления субстрата значительно снизилась (выход 10% через 2 часа) (рис. 7b, верхний гель и сплошной оранжевый след). В присутствии коацерватов реакция частично восстанавливалась с четырехкратным увеличением выхода продукта по сравнению с реакциями только в буфере через 2 часа (~40% против ~10%) (рис.7б). Аналогичная стимуляция, вызванная коацервацией, наблюдалась, когда реакции проводились при 5 мМ Mg ²⁺ (рис. 7b, пунктирные линии и дополнительная фигура 13a). Идентичные сдвиги электрофоретической подвижности продуктов расщепления из разных условий реакции поддерживают один и тот же сайт расщепления для всех условий (дополнительная фигура 13b). В совокупности эти данные указывают на то, что коацерват-опосредованные улучшения в неоптимальных условиях не ограничиваются ферментами РНК.
Рис.7
Коацерват-опосредованная стимуляция ДНКзима. a Структура ДНКзима 10–23. Цепь фермента показана черным, а субстрат — синим. Красная стрелка указывает место расщепления. Изображение геля показывает эффективное расщепление субстрата (0,25 пМ) ферментом (1 мкМ) в 25 мМ трис-HCl, рН 8,0, содержащем 2,5 мМ MgCl ₂ и 2,5 мМ KCl. Временные точки были взяты через 0, 2,5, 5, 15, 30, 60 и 90 минут. b Реакции содержали 5 нМ цепи фермента и 0.Нить субстрата 25 пМ в 25 мМ Трис-HCl, рН 8,0, содержащая 2,5 мМ MgCl ₂ и 2,5 мМ KCl. Коацерваты были образованы добавлением PDAC-53 и D ₁₀ при общем заряде 10 мМ от каждого. Временные точки были взяты на 0, 5, 15, 30, 60, 90 и 120 мин. Образовавшаяся фракция продукта была рассчитана для гелей, показанных в b и на дополнительном рисунке 13, и данные соответствовали уравнению. (1). Зеленые сплошные и пунктирные линии показывают эксперименты, проведенные в 2,5 мМ Mg ²⁺ или 5 мМ Mg ²⁺ соответственно.