El equipo, que creció hasta incluir investigadores del Instituto de Tecnología Stevens junto con colegas de Oxford, Cornell, Rochester y la Universidad de Texas, publicó su explicación del inusual resultado en Nature Communications. . Su hallazgo clave:incluso cuando las reacciones químicas aparentemente se comprenden bien, a veces la naturaleza toma la ruta pintoresca.

"Resulta que no se puede asumir que existe una sola vía química en funcionamiento", explica el Dr. Yong Zhang, profesor del Departamento de Química y Biología Química de Stevens. "Cuando miramos más de cerca, descubrimos que se estaba produciendo 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 catalizador en una reacción de transferencia de carbeno. El objetivo:utilizar carbeno, una molécula basada en carbono extremadamente reactiva, para generar un anillo de ciclopropano, que luego podría usarse para generar una amplia gama de compuestos útiles, incluidos varios antibióticos importantes.

Usar hemoproteínas para desencadenar esa reacción es atractivo porque contienen abundante Fe como centro metálico y no son tóxicas, son fáciles de ajustar y viables a temperatura ambiente.

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

Para comprender la reacción química inesperada, los investigadores utilizaron una variedad de técnicas de vanguardia 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 mapear con precisión las estructuras precisas involucradas en combinación con cálculos.

En conjunto, el trabajo del equipo reveló que, si bien en muchos casos se formaban anillos de ciclopropano mediante la reacción carbeno mediada por hemoproteínas prevista, también se estaban produciendo otras reacciones complejas e imprevistas. En algunos casos, los métodos computacionales revelaron la posibilidad de reacciones secundarias poco comunes que requirieron más energía de la que normalmente está disponible en una reacción a temperatura ambiente. En otros, los métodos computacionales y observacionales identificaron múltiples vías competitivas a partir de las cuales podría ocurrir la ciclopropanación.

En particular, 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 regeneraba naturalmente los catalizadores de hemoproteínas utilizados en la reacción original, permitiendo que continuara la reacción de ciclopropanación prevista.

"Lo que encontramos no fue un callejón sin salida, sino más bien un desvío", dijo el Dr. Zhang. "Es una señal de que estas reacciones importantes no son simples y lineales, sino más bien una red compleja de vías químicas que se bifurcan".

La capacidad del equipo para desenredar esas vías y describir toda la complejidad de la reacción de ciclopropanación debería agilizar importantes investigaciones futuras sobre reacciones y biocatalizadores basados ​​en carbeno, dice el Dr. Zhang. Fundamentalmente, también muestra el valor de utilizar métodos tanto computacionales como experimentales para explorar reacciones químicas y garantizar que se tengan en cuenta todas las posibles reacciones secundarias al explorar nueva química.

"Como científicos, debemos mantener la mente abierta", afirma el Dr. Zhang. "Si asumes que ya entiendes exactamente cómo funcionan estos procesos, entonces limitas tus oportunidades de descubrir cosas nuevas."