Às vezes, o acaso – ou simplesmente a sorte – ainda desempenha um papel fundamental na descoberta científica. Recentemente, uma equipe de químicos estava experimentando o uso de um processo biocatalítico para desencadear uma reação de ciclopropanação, que produz estruturas moleculares intrincadas usadas em vários medicamentos e outros processos naturais, quando algo incomum aconteceu:um copo de líquido que deveria ter ficado vermelho turvo ficou brilhante verde em vez disso.



A equipe – que passou a incluir pesquisadores do Stevens Institute of Technology ao lado de colegas de Oxford, Cornell, Rochester e da Universidade do Texas – publicou sua explicação do resultado incomum na Nature Communications. . A principal descoberta:mesmo quando as reações químicas são aparentemente bem compreendidas, às vezes a natureza segue o caminho pitoresco.

“Acontece que não se pode presumir que existe apenas uma via química em ação”, explica o Dr. Yong Zhang, professor do Departamento de Química e Biologia Química da Stevens. "Quando olhamos mais de perto, descobrimos que estava ocorrendo uma química inesperada e totalmente nova."

A reação em questão utilizou hemoproteínas projetadas – como a hemoglobina e a mioglobina que armazenam e transportam oxigênio no sangue e nos músculos – como catalisador em uma reação de transferência de carbeno. O objetivo:usar carbeno, uma molécula extremamente reativa à base de carbono, para gerar um anel de ciclopropano, que poderia então ser usado para gerar uma ampla gama de compostos úteis, incluindo uma série de antibióticos importantes.

O uso de hemoproteínas para desencadear essa reação é atraente porque elas contêm Fe abundante como centro metálico e são atóxicas, fáceis de ajustar e viáveis ​​à temperatura ambiente.

“Isso é exatamente o que você precisa para fabricar medicamentos de forma segura e barata”, explica o Dr. Zhang. "Mas se acontecer que você também está produzindo moléculas inesperadas de outros tipos, isso poderá criar problemas de segurança ou comprometer a eficiência da reação."

Para compreender a reação química inesperada, os pesquisadores usaram uma série de técnicas de ponta para explorar a química em ação, incluindo métodos computacionais avançados liderados pelo Dr. Outras unidades de pesquisa usaram técnicas como espectroscopia Mössbauer e cristalografia de raios X para caracterizar moléculas em escala atômica e mapear com precisão as estruturas envolvidas em combinação com cálculos.

Coletivamente, o trabalho da equipe revelou que, embora em muitos casos os anéis de ciclopropano estivessem sendo formados através da reação pretendida de carbeno mediada por hemoproteínas, uma série de outras reações complexas e imprevistas também estavam ocorrendo. Em alguns casos, os métodos computacionais revelaram a possibilidade de reações secundárias raras que exigiam mais energia do que a normalmente disponível numa reação à temperatura ambiente. Em outros, métodos computacionais e observacionais identificaram múltiplos caminhos concorrentes a partir dos quais a ciclopropanação poderia ocorrer.

Notavelmente, uma via alternativa levou à formação de um complexo variante de mioglobina chamado Mb-cIII – o estranho composto verde que a equipe encontrou inicialmente em seu copo. Outras pesquisas mostraram que o complexo Mb-cIII regenerou naturalmente os catalisadores de hemoproteínas utilizados na reação original, permitindo que a reação de ciclopropanação pretendida continuasse.

“O que descobrimos não foi um beco sem saída, mas sim um desvio”, disse o Dr. Zhang. “É um sinal de que estas reações importantes não são simples e lineares, mas sim uma rede complexa de vias químicas que se bifurcam”.

A capacidade da equipe de desembaraçar esses caminhos e descrever toda a complexidade da reação de ciclopropanação deve agilizar pesquisas futuras importantes sobre reações e biocatalisadores à base de carbeno, diz o Dr. Crucialmente, também mostra o valor da utilização de métodos computacionais e experimentais para explorar reações químicas e para garantir que todas as reações secundárias possíveis sejam consideradas ao explorar nova química.

“Como cientistas, precisamos manter a mente aberta”, diz o Dr. Zhang. “Se você presumir que já entende exatamente como esses processos funcionam, estará limitando sua oportunidade de descobrir coisas novas.”

Mais informações: Donggeon Nam et al, Mecanismo múltiplo em uma reação de ciclopropanação catalisada por hemoproteína com diazocetona, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43559-7
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Stevens Institute of Technology