Nitrogenases, as enzimas responsáveis ​​por converter o nitrogênio atmosférico em compostos à base de nitrogênio usados ​​pelos seres vivos, têm sido o principal foco da pesquisa química por décadas devido ao papel fundamental que os fertilizantes de nitrogênio desempenham na alimentação da crescente população do planeta.

Dois pesquisadores da Caltech estão na vanguarda dos estudos da estrutura molecular dessas enzimas importantes:Douglas Rees e Garnet Chan.

Rees, Roscoe Gilkey Dickinson, professor de química da Caltech, investigador do Howard Hughes Medical Institute, e reitor de pós-graduação, é um dos pioneiros dessa pesquisa. Em 1992, Rees publicou o primeiro artigo descrevendo a estrutura de uma enzima nitrogenase. Desde então, seu laboratório continuou a investigar a estrutura e o comportamento dessas moléculas. Em reconhecimento ao seu trabalho, a Real Academia Sueca de Ciências em setembro nomeou Rees como um dos vencedores do Prêmio Gregori Aminoff deste ano. O prêmio é concedido anualmente a pesquisadores por suas realizações no campo da cristalografia.

"O mecanismo de fixação biológica de nitrogênio intrigou os químicos por mais de um século, "Rees diz." Meu grupo abordou essa questão determinando as estruturas de cristal de raios-X das proteínas nitrogenase que catalisam a conversão do dinitrogênio atmosférico em amônia sob condições fisiológicas. Por meio dos esforços de um grupo notável de alunos de graduação e pós-doutorado, em uma colaboração contínua com meu ex-orientador de pós-doutorado, James Howard, fomos capazes de definir a arquitetura molecular da nitrogenase em detalhes requintados, com foco particular nos metaloclusters incomuns que fornecem o sítio ativo para esta reação. "

Chan, Professor Bren de Química da Caltech, também tem pesquisado a estrutura das nitrogenases, utilizando métodos computacionais que oferecem informações complementares aos estudos de Rees. A especialidade de Chan é química quântica, um campo que tenta explicar as propriedades químicas por meio de princípios da mecânica quântica.

Este mês, Chan e seus colegas publicaram um novo artigo sobre nitrogenase em Química da Natureza . Nesse papel, eles delineiam a estrutura eletrônica - o arranjo dos elétrons - dos chamados aglomerados P encontrados nas enzimas nitrogenase, conforme determinado por meio de simulações de computador. P-clusters são regiões dentro da enzima que consistem em vários átomos de ferro e enxofre ligados entre si. Eles são responsáveis ​​por parte do processo químico que transforma o gás nitrogênio em compostos de nitrogênio como a amônia, ou fixação de nitrogênio.

Determinar como os elétrons são arranjados nesses aglomerados P ajudaria os pesquisadores a entender melhor o mecanismo que está por trás da fixação de nitrogênio, mas esses arranjos têm se mostrado difíceis de estudar. O trabalho de Chan se baseia em novas técnicas computacionais desenvolvidas em seu laboratório com base nas idéias da teoria da informação quântica.

"Sem os estudos seminais de Doug, não saberíamos como os átomos estão organizados no agrupamento P, "Chan diz." Mas com o conhecimento dessas posições, podemos agora usar a mecânica quântica teórica para visualizar onde os elétrons estão, adicionando um novo capítulo a esta história contínua. "

Papel de Chan, intitulado, "O panorama eletrônico do aglomerado P da nitrogenase, conforme revelado por meio de simulações de função de onda de muitos elétrons quânticos, "aparece na edição de 30 de setembro de Química da Natureza .