Los químicos demuestran que la catálisis de hemoproteínas es mucho más complicada de lo que pensábamos

A veces, la casualidad (o simplemente la suerte) todavía juega un papel importante en el descubrimiento científico. Recientemente, un equipo de químicos estaba experimentando con el uso de un proceso biocatalítico para iniciar una reacción de ciclopropanación, que produce estructuras moleculares complejas utilizadas en diversos medicamentos y otros procesos naturales, cuando sucedió algo inusual: un vaso de líquido que debería haberse vuelto marrón oscuro. En lugar de verde.

El equipo, que incluye investigadores del Instituto de Tecnología Stevens junto con colegas de Oxford, Cornell, Rochester y la Universidad de Texas, ha publicado una descripción de sus inusuales hallazgos. comunicación de la naturaleza. Su hallazgo clave: incluso cuando las reacciones químicas aparentemente se comprenden bien, a veces la naturaleza toma la ruta natural.

«Resulta que no se puede asumir que sólo hay una vía química en funcionamiento», explica el Dr. Yong Zhang, profesor del Departamento de Química y Biología Química de Stevens. «Cuando miramos más de cerca, vimos que estaba ocurriendo una química inesperada y completamente nueva».

La reacción en cuestión utilizó hemoproteínas diseñadas, como la hemoglobina y la mioglobina, que almacenan y transportan oxígeno en nuestra sangre y músculos, como catalizadores en la reacción de transferencia de carbono. El objetivo: utilizar carbeno, una molécula basada en carbono altamente reactiva, para producir un tinte de ciclopropano, que luego puede usarse para producir una amplia gama de compuestos útiles, incluidos muchos antibióticos importantes.

El uso de hemoproteínas es atractivo para iniciar esta reacción porque contienen una gran cantidad de Fe como centro metálico y no son tóxicas, son fáciles de fijar y viables a temperatura ambiente.

«Eso es lo que se necesita para fabricar medicamentos de forma segura y económica», explica el Dr. Zhang. «Pero si resulta que también se están produciendo otros tipos de moléculas inesperadas, eso podría causar problemas de seguridad o comprometer la eficiencia de la reacción».

Para comprender la reacción química inesperada, los investigadores utilizaron una variedad de técnicas avanzadas para explorar la química en funcionamiento, incluidos métodos computacionales avanzados dirigidos por el Dr. Zhang. Otras unidades de investigación utilizaron técnicas como la espectroscopia de Mössbauer y la cristalografía de rayos X para caracterizar moléculas a escala atómica y calcular la estructura exacta de la estructura.

En general, el trabajo del equipo reveló que, si bien en muchos casos se formó ciclopropano en la reacción del carbono mediada por hemoproteínas, también se estaban produciendo muchas otras reacciones complejas e impredecibles. En algunos casos, los métodos computacionales han revelado la posibilidad de reacciones secundarias raras que requieren más energía de la que normalmente está presente en las reacciones a temperatura ambiente. En otros, los métodos computacionales y observacionales identificaron varias vías competitivas por las cuales puede ocurrir la ciclopropanación.

Específicamente, una vía alternativa condujo a la formación de un complejo variante de mioglobina llamado Mb-cIII, el extraño compuesto verde que el equipo había encontrado inicialmente en su vaso de precipitados. Investigaciones adicionales demostraron que el complejo Mb-cIII regenera naturalmente los catalizadores de hemoproteínas utilizados en la reacción original, que se pretende que continúe.

«Lo que encontramos no fue un final, sino más bien un camino», afirmó el Dr. Zhang. «Esto es una señal de que estas reacciones importantes no son simples y lineales, sino más bien una red compleja de vías químicas que interactúan».

El Dr. Zhang dice que la capacidad del equipo para desentrañar estas vías y explicar toda la complejidad de la reacción de ciclopropanación debería impulsar importantes investigaciones futuras sobre reacciones y biocatalizadores basados ​​en carbono. Es importante destacar que también muestra el valor de utilizar métodos tanto computacionales como experimentales para explorar reacciones químicas y garantizar que se consideren todas las reacciones posibles al descubrir nueva química.

«Como científicos, debemos mantener la mente abierta», afirma el Dr. Zhang. «Si asume que ya comprende cómo funcionan estos procesos, limitará sus oportunidades de descubrir cosas nuevas».