Ibland spelar serendipity - eller bara ren tur - fortfarande en avgörande roll i vetenskapliga upptäckter. Nyligen experimenterade ett team av kemister med att använda en biokatalytisk process för att utlösa en cyklopropaneringsreaktion, som ger invecklade molekylära strukturer som används i olika droger och andra naturliga processer, när något ovanligt hände:En bägare med vätska som skulle ha blivit lerröd blev ljus grön istället.

Teamet – som växte till att omfatta forskare från Stevens Institute of Technology tillsammans med kollegor från Oxford, Cornell, Rochester och University of Texas – har publicerat sin förklaring av det ovanliga resultatet i Nature Communications . Deras viktigaste upptäckt:Även när kemiska reaktioner tydligen är väl förstådda, tar naturen ibland den natursköna vägen.

"Det visar sig att du inte kan anta att det bara finns en kemisk väg på jobbet", förklarar Dr Yong Zhang, professor vid Institutionen för kemi och kemisk biologi vid Stevens. "När vi tittade närmare upptäckte vi att en del oväntad och helt ny kemi ägde rum."

Reaktionen i fråga använde konstruerade hemoproteiner - som hemoglobin och myoglobin som lagrar och transporterar syre i vårt blod och muskler - som katalysator i en karbenöverföringsreaktion. Målet:att använda karben, en extremt reaktiv kolbaserad molekyl, för att generera en cyklopropanring, som sedan kan användas för att generera ett brett spektrum av användbara föreningar inklusive ett antal viktiga antibiotika.

Att använda hemoproteiner för att utlösa den reaktionen är attraktivt eftersom de innehåller den rikliga Fe som metallcentrum och är giftfria, lätta att finjustera och livskraftiga vid rumstemperatur.

"Det är precis vad du behöver för att tillverka läkemedel säkert och billigt", förklarar Dr Zhang. "Men om det visar sig att du också producerar oväntade molekyler av andra slag, kan det skapa säkerhetsproblem eller äventyra reaktionens effektivitet."

För att förstå den oväntade kemiska reaktionen använde forskarna en rad banbrytande tekniker för att utforska kemin i arbetet, inklusive avancerade beräkningsmetoder ledda av Dr. Zhang. Andra forskningsenheter använde tekniker som Mössbauer-spektroskopi och röntgenkristallografi för att karakterisera molekyler i atomär skala och noggrant kartlägga de exakta strukturerna som är involverade i kombination med beräkningar.

Sammantaget avslöjade teamets arbete att även om cyklopropanringar i många fall bildades via den avsedda hemoproteinmedierade karbenreaktionen, ägde också ett antal andra komplexa och oväntade reaktioner rum. I vissa fall avslöjade beräkningsmetoder möjligheten till sällsynta bireaktioner som krävde mer energi än vad som vanligtvis är tillgängligt i en rumstemperaturreaktion. I andra identifierade beräknings- och observationsmetoder flera konkurrerande vägar från vilka cyklopropanering kunde inträffa.

Noterbart ledde en alternativ väg till bildandet av ett myoglobinvariantkomplex kallat Mb-cIII - den märkliga gröna föreningen som teamet från början hade hittat i sin bägare. Ytterligare forskning visade att Mb-cIII-komplexet naturligt regenererade hemoproteinkatalysatorerna som användes i den ursprungliga reaktionen, vilket gjorde att den avsedda cyklopropaneringsreaktionen kunde fortsätta.

"Det vi hittade var inte en återvändsgränd, utan snarare en omväg", sa Dr. Zhang. "Det är ett tecken på att dessa viktiga reaktioner inte är enkla och linjära, utan snarare ett komplext nätverk av kemiska vägar."

Teamets förmåga att reda ut dessa vägar och beskriva den fullständiga komplexiteten av cyklopropaneringsreaktionen borde effektivisera viktig framtida forskning om karbenbaserade reaktioner och biokatalysatorer, säger Dr. Zhang. Det visar också på värdet av att använda både beräkningsmetoder och experimentella metoder för att utforska kemiska reaktioner och för att säkerställa att alla möjliga bireaktioner beaktas när man utforskar ny kemi.

"Som forskare måste vi förbli öppna", säger Dr. Zhang. "Om du antar att du redan förstår exakt hur dessa processer fungerar, så begränsar du din möjlighet att upptäcka nya saker."

Mer information: Donggeon Nam et al, Mekanistiskt grenrör i en hemoproteinkatalyserad cyklopropaneringsreaktion med diazoketon, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43559-7

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Stevens Institute of Technology