Crenarchaeol è un grande, lipidi a ciclo chiuso che è presente nelle membrane degli archaea ossidanti l'ammonio, una forma di vita unicellulare che esiste ubiquitariamente negli oceani. Rispetto ad altri lipidi di membrana archeali, crenarchaeol è molto complesso e, finora, i tentativi di confermarne la struttura sintetizzando l'intera molecola non hanno avuto successo. I chimici organici dell'Università di Groningen hanno raccolto questa sfida e hanno scoperto che la struttura proposta per la molecola era in gran parte, ma non del tutto, corretta.

Il crenarchaeol contiene 86 atomi di carbonio ed è un macrociclo, un grande circuito chiuso. Non meno di 22 posizioni nella molecola sono chirali. La molecola può essere presente in due forme che sono l'immagine speculare l'una dell'altra, come una mano sinistra e una destra. Nella molecola del crenarcheolo, tutti i 22 centri chirali hanno la loro specifica "mano". Per di più, crenarchaeol contiene un gruppo cicloesano molto raro.

Sfida

Questa complessa molecola è stata isolata per la prima volta nel 2002 da Jaap Sinninghe Damsté e dai colleghi del Royal Netherlands Institute for Sea Research, NIOZ. Hanno identificato la sua struttura usando tecniche spettroscopiche ma il loro risultato non è mai stato confermato. Ciò è sorprendente perché gli archaea ossidanti l'ammonio svolgono un ruolo chiave nel ciclo dell'azoto oceanico e il crenarchaeol fossile e i suoi lipidi compagni sono ampiamente utilizzati dai paleontologi molecolari per ricostruire le temperature del mare passate. "La struttura del crenarchaeol è una sfida formidabile per la chimica organica sintetica, "dice Adri Minnaard, Professore di Chimica Organica presso l'Università di Groningen. "E abbiamo deciso di riprenderlo."

Primo, 3 milligrammi del composto naturale sono stati isolati e purificati al NIOZ, che durò circa tre mesi. Ci sono solo piccole quantità di crenarchaeol in ogni cellula, solo 0,000000001 grammo, ma poiché ci sono così tante di queste cellule negli oceani del mondo e poiché la molecola è molto stabile e si è accumulata nei sedimenti per milioni di anni, si ritiene sia una delle molecole organiche più abbondanti nei sedimenti marini.

Monte Everest

Ci sono diversi problemi con la sintesi del crenarchaeol; ottenere tutti i centri chirali nell'orientamento corretto è uno di questi. "E la molecola contiene molti legami carbonio-carbonio, che sono difficili da costruire." Ma è una sfida a cui un chimico organico sintetico non può resistere, proprio come un alpinista ambizioso non può resistere al Monte Everest. Minnaard ha mostrato la struttura alla sua studentessa di dottorato Mira Holzheimer, che ha lavorato su reazioni sintetiche catalizzate dal palladio. "La sua risposta letterale è stata:'Voglio scalare quella montagna'". Hanno fatto un piano di attacco su carta, che ha comportato la scomposizione della molecola negli elementi costitutivi che potrebbero essere sintetizzati. Ciò ha prodotto un percorso provvisorio verso la sintesi di molecole complete di crenarchaeol, che Holzheimer ha esplorato.

Simile a scalare una montagna per la prima volta, il percorso sintetico che hanno progettato all'inizio a volte portava a un vicolo cieco. Questo significava ripercorrere questi passaggi e provare un nuovo approccio. "Si inizia con più grammi dei composti di base. Ma in ciascuno degli oltre 65 passaggi intermedi, perdi materiale, a volte fino al 50 per cento. E se finisci le intermedie, devi tornare indietro di nuovo, "Minaard spiega.

Shock

Dopo tre anni di duro lavoro, Holzheimer aveva prodotto una grossa fetta della molecola, circa la metà del macrociclo. Minnaard:"In quella fase, abbiamo deciso di confrontarlo con la parte corrispondente di crenarchaeol naturale". Ciò è stato fatto utilizzando la gascromatografia-spettrometria di massa accoppiata. Il confronto è stato effettuato al NIOZ e i risultati sono stati uno shock. "Abbiamo sintetizzato lo scheletro di carbonio corretto, ma il comportamento cromatografico non era lo stesso di quello del crenarchaeol naturale. C'era qualcosa di sbagliato, "Minnaard ricorda.

Dopo due giorni di controllo, Minnaard e Holzheimer hanno concluso che avevano davvero realizzato la struttura proposta. E poiché non corrispondeva completamente al crenarchaeolo naturale, questo poteva significare solo una cosa:la struttura proposta non era del tutto corretta. I risultati hanno indicato uno dei centri chirali dell'insolito gruppo del cicloesano. "I nostri collaboratori al NIOZ hanno assegnato erroneamente solo un centro chirale su 22". La correzione della struttura è stata ulteriormente supportata da calcoli sugli spettri del crenarchaeol sia naturale che preparato, che sono stati eseguiti dal Prof. Remco Havenith e dalla Dott.ssa Ana Da Cunha. Minnaard. "Questo mostra il valore della chimica sintetica:costruire una struttura proposta è il gold standard per la convalida".

Arte

Una struttura così complessa come quella del crenarchaeol porta alcuni vantaggi aggiuntivi:"Abbiamo dovuto sviluppare nuovi strumenti sintetici, che ora vengono aggiunti alla cassetta degli attrezzi per la sintesi organica." Inoltre, avere la struttura corretta è importante per gli scienziati che studiano le membrane archeali. Questo di solito viene fatto attraverso la simulazione della dinamica molecolare, spiega Minnaard, e la struttura completamente corretta è ora disponibile. Eppure questo risultato non è la motivazione più grande per Minnaard ad intraprendere questi progetti. "Non deve sempre avere uno scopo. Per me, costruire molecole può essere arte."