Nitrogenasi, gli enzimi responsabili della conversione dell'azoto atmosferico nei composti a base di azoto utilizzati dagli esseri viventi, sono stati per decenni uno dei principali obiettivi della ricerca chimica a causa del ruolo fondamentale che i fertilizzanti azotati svolgono nell'alimentazione della fiorente popolazione del pianeta.

Due ricercatori del Caltech sono stati in prima linea negli studi sulla struttura molecolare di questi importanti enzimi:Douglas Rees e Garnet Chan.

Ree, Roscoe Gilkey Dickinson Professore di Chimica del Caltech, investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute, e preside degli studi universitari, è uno dei pionieri di questa ricerca. Nel 1992, Rees ha pubblicato il primo articolo che descrive la struttura di un enzima nitrogenasi. Da allora, il suo laboratorio ha continuato a studiare la struttura e il comportamento di queste molecole. In riconoscimento del suo lavoro, la Royal Swedish Academy of Sciences a settembre ha nominato Rees come uno dei vincitori del Premio Gregori Aminoff di quest'anno. Il premio viene assegnato annualmente ai ricercatori per i loro risultati nel campo della cristallografia.

"Il meccanismo di fissazione dell'azoto biologico ha incuriosito i chimici per oltre un secolo, " Rees dice. "Il mio gruppo ha affrontato questa questione determinando le strutture cristalline a raggi X delle proteine ​​nitrogenasi che catalizzano la conversione del diazoto atmosferico in ammoniaca in condizioni fisiologiche. Grazie agli sforzi di un notevole gruppo di studenti laureati e borsisti post-dottorato, in una continua collaborazione con il mio ex consulente post-dottorato, James Howard, siamo stati in grado di definire l'architettura molecolare della nitrogenasi in modo squisito, con particolare attenzione agli insoliti metallocluster che forniscono il sito attivo per questa reazione."

Chan, Bren professore di chimica del Caltech, ha anche studiato la struttura delle nitrogenasi, utilizzando metodi computazionali che offrono informazioni complementari agli studi di Rees. La specialità di Chan è la chimica quantistica, un campo che tenta di spiegare le proprietà chimiche attraverso i principi della meccanica quantistica.

Questo mese, Chan e i suoi collaboratori hanno pubblicato un nuovo articolo sulla nitrogenasi in Chimica della natura . In quel foglio, delineano la struttura elettronica - la disposizione degli elettroni - dei cosiddetti P-cluster presenti negli enzimi nitrogenasi, come determinato attraverso simulazioni al computer. I cluster P sono regioni all'interno dell'enzima che consistono in diversi atomi di ferro e zolfo legati insieme. Sono responsabili di parte del processo chimico che trasforma il gas azoto in composti azotati come l'ammoniaca, o fissazione dell'azoto.

Determinare come sono disposti gli elettroni in questi cluster P aiuterebbe i ricercatori a comprendere meglio il meccanismo che sta alla base della fissazione dell'azoto, ma queste disposizioni si sono rivelate difficili da studiare. Il lavoro di Chan si basa su nuove tecniche computazionali sviluppate nel suo laboratorio basate sulle idee della teoria dell'informazione quantistica.

"Senza gli studi seminali di Doug non sapremmo come sono disposti gli atomi nell'ammasso P, " dice Chan. "Ma con la conoscenza di queste posizioni, ora possiamo usare la meccanica quantistica teorica per visualizzare dove sono gli elettroni, aggiungendo un nuovo capitolo a questa storia in corso."

carta di Chan, intitolato, "Panorama elettronico del cluster P di nitrogenasi rivelato attraverso simulazioni quantistiche di funzioni d'onda a molti elettroni, " appare nel numero del 30 settembre di Chimica della natura .