Il team, che è cresciuto fino a includere ricercatori dello Stevens Institute of Technology insieme a colleghi di Oxford, Cornell, Rochester e dell'Università del Texas, ha pubblicato la sua spiegazione dell'insolito risultato su Nature Communications . La loro scoperta chiave:anche quando le reazioni chimiche sono apparentemente ben comprese, a volte la natura prende la strada panoramica.

"Si scopre che non si può presumere che esista un solo percorso chimico all'opera", spiega il dottor Yong Zhang, professore presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica della Stevens. "Quando abbiamo guardato più da vicino, abbiamo scoperto che si stava verificando una chimica inaspettata e completamente nuova."

La reazione in questione ha utilizzato emoproteine ​​ingegnerizzate – come l’emoglobina e la mioglobina che immagazzinano e trasportano l’ossigeno nel sangue e nei muscoli – come catalizzatore in una reazione di trasferimento del carbene. L'obiettivo:utilizzare il carbene, una molecola estremamente reattiva a base di carbonio, per generare un anello di ciclopropano, che potrebbe poi essere utilizzato per generare un'ampia gamma di composti utili tra cui una serie di importanti antibiotici.

L'utilizzo delle emoproteine ​​per innescare tale reazione è interessante perché contengono abbondante Fe come centro metallico e sono non tossiche, facili da mettere a punto e vitali a temperatura ambiente.

"Questo è esattamente ciò di cui hai bisogno per produrre farmaci in modo sicuro ed economico", spiega il dottor Zhang. "Ma se si scopre che stai producendo anche molecole inaspettate di altro tipo, ciò potrebbe creare problemi di sicurezza o compromettere l'efficienza della reazione."

Per comprendere la reazione chimica inaspettata, i ricercatori hanno utilizzato una serie di tecniche all’avanguardia per esplorare la chimica all’opera, compresi metodi computazionali avanzati guidati dal dottor Zhang. Altre unità di ricerca hanno utilizzato tecniche come la spettroscopia Mössbauer e la cristallografia a raggi X per caratterizzare le molecole su scala atomica e mappare accuratamente le strutture precise coinvolte in combinazione con i calcoli.

Nel complesso, il lavoro del team ha rivelato che mentre in molti casi si formavano anelli di ciclopropano attraverso la prevista reazione del carbene mediata dall'emoproteina, si stavano verificando anche una serie di altre reazioni complesse e impreviste. In alcuni casi, i metodi computazionali hanno rivelato la possibilità di rare reazioni collaterali che richiedevano più energia di quella normalmente disponibile in una reazione a temperatura ambiente. In altri, metodi computazionali e osservativi hanno identificato molteplici percorsi concorrenti da cui potrebbe verificarsi la ciclopropanazione.

In particolare, un percorso alternativo ha portato alla formazione di un complesso variante della mioglobina chiamato Mb-cIII, lo strano composto verde che il team aveva inizialmente trovato nel loro recipiente. Ulteriori ricerche hanno dimostrato che il complesso Mb-cIII rigenerava naturalmente i catalizzatori dell'emoproteina utilizzati nella reazione originale, consentendo alla reazione di ciclopropanazione prevista di continuare.

"Quello che abbiamo trovato non era un vicolo cieco, ma piuttosto una deviazione", ha detto il dottor Zhang. "È un segno che queste importanti reazioni non sono semplici e lineari, ma piuttosto una complessa rete di percorsi chimici che si biforcano."

La capacità del team di districare questi percorsi e descrivere l'intera complessità della reazione di ciclopropanazione dovrebbe semplificare importanti ricerche future sulle reazioni a base di carbene e sui biocatalizzatori, afferma il dott. Zhang. Fondamentalmente, mostra anche il valore dell'utilizzo di metodi sia computazionali che sperimentali per esplorare le reazioni chimiche e per garantire che tutte le possibili reazioni collaterali siano prese in considerazione quando si esplora la nuova chimica.

"Come scienziati, dobbiamo rimanere di mentalità aperta", afferma il dottor Zhang. "Se presumi di sapere già esattamente come funzionano questi processi, limiti le tue opportunità di scoprire cose nuove."