Azoto, un elemento essenziale per tutte le cellule viventi, costituisce circa il 78% dell'atmosfera terrestre. Però, la maggior parte degli organismi non può utilizzare questo azoto finché non viene convertito in ammoniaca. Fino a quando l'uomo non ha inventato processi industriali per la sintesi dell'ammoniaca, quasi tutta l'ammoniaca del pianeta è stata generata da microbi che utilizzano azotoasi, gli unici enzimi in grado di rompere il legame azoto-azoto presente nel diazoto gassoso, o N2.

Questi enzimi contengono gruppi di atomi di metallo e zolfo che aiutano a eseguire questa reazione critica, ma il meccanismo di come lo fanno non è ben compreso. Per la prima volta, I chimici del MIT hanno ora determinato la struttura di un complesso che si forma quando N2 si lega a questi cluster, e hanno scoperto che i cluster sono in grado di indebolire il legame azoto-azoto in misura sorprendente.

"Questo studio ci consente di ottenere informazioni sul meccanismo che consente di attivare questa molecola davvero inerte, che ha un legame molto forte che è difficile da spezzare, "dice Daniel Suess, la classe del '48 Career Development Assistant Professor di Chimica al MIT e l'autore senior dello studio.

Alex McSkimming, un ex postdoc del MIT che ora è assistente professore alla Tulane University, è l'autore principale del documento, che appare oggi in Chimica della natura .

Fissazione dell'azoto

L'azoto è un componente fondamentale delle proteine, DNA, e altre molecole biologiche. Per estrarre l'azoto dall'atmosfera, i primi microbi svilupparono nitrogenasi, che convertono il gas azoto in ammoniaca (NH3) attraverso un processo chiamato fissazione dell'azoto. Le cellule possono quindi utilizzare questa ammoniaca per costruire composti contenenti azoto più complessi.

"La capacità di accedere all'azoto fisso su larga scala è stata determinante nel consentire la proliferazione della vita, " Dice Suess. "Il diazoto ha un legame davvero forte ed è davvero poco reattivo, quindi i chimici sostanzialmente lo considerano una molecola inerte. È un enigma che la vita ha dovuto risolvere:come convertire questa molecola inerte in specie chimiche utili».

Tutte le nitrogenasi contengono un gruppo di atomi di ferro e zolfo, e alcuni di loro includono anche molibdeno. Si ritiene che il diazoto si leghi a questi cluster per avviare la conversione in ammoniaca. Però, la natura di questa interazione non è chiara, e fino ad ora, gli scienziati non erano stati in grado di caratterizzare il legame di N2 con un cluster ferro-zolfo.

Per far luce su come le nitrogenasi legano N2, i chimici hanno progettato versioni più semplici di cluster ferro-zolfo che possono utilizzare per modellare i cluster presenti in natura. La nitrogenasi più attiva utilizza un cluster ferro-zolfo con sette atomi di ferro, nove atomi di zolfo, un atomo di molibdeno, e un atomo di carbonio. Per questo studio, il team del MIT ne ha creato uno che ha tre atomi di ferro, quattro atomi di zolfo, un atomo di molibdeno, e niente carbonio.

Una sfida nel tentativo di imitare il legame naturale del diazoto al cluster ferro-zolfo è che quando i cluster sono in una soluzione, possono reagire con se stessi invece di legare substrati come il diazoto. Per superarlo, Suess e i suoi studenti hanno creato un ambiente protettivo attorno al cluster attaccando gruppi chimici chiamati ligandi.

I ricercatori hanno attaccato un ligando a ciascuno degli atomi di metallo ad eccezione di un atomo di ferro, che è dove N2 si lega al cluster. Questi ligandi prevengono reazioni indesiderate e consentono al diazoto di entrare nel cluster e legarsi a uno degli atomi di ferro. Una volta avvenuto questo legame, i ricercatori sono stati in grado di determinare la struttura del complesso utilizzando la cristallografia a raggi X e altre tecniche.

Hanno anche scoperto che il triplo legame tra i due atomi di azoto di N2 è indebolito in misura sorprendente. Questo indebolimento si verifica quando gli atomi di ferro trasferiscono gran parte della loro densità elettronica al legame azoto-azoto, che rende il legame molto meno stabile.

Cooperazione di cluster

Un'altra scoperta sorprendente è stata che tutti gli atomi di metallo nel cluster contribuiscono a questo trasferimento di elettroni, non solo l'atomo di ferro a cui è legato il diazoto.

"Ciò suggerisce che questi cluster possono cooperare elettronicamente per attivare questo legame inerte, " Suess says. "The nitrogen-nitrogen bond can be weakened by iron atoms that wouldn't otherwise weaken it. Because they're in a cluster, they can do it cooperatively."

The researchers' findings also confirmed that simpler versions of the iron-sulfur cluster, such as those they created for this study, can effectively weaken the nitrogen-nitrogen bond. The earliest microbes to develop the ability to fix nitrogen may have evolved similar types of simple clusters, Suess says.

Suess and his students are now working on ways to study how the more complex, naturally occurring versions of iron-sulfur clusters interact with dinitrogen.