化学家表明血红蛋白催化比我们想象的要复杂得多

有时，偶然性——或者只是运气——仍然在科学发现中发挥着关键作用。最近，一组化学家正在尝试使用生物催化过程来引发环丙烷化反应，该反应会产生用于各种药物和其他自然过程的复杂分子结构，这时发生了一些不寻常的事情：烧杯中本应变成浑红色的液体变成了明亮的颜色改为绿色。

该团队成员包括来自史蒂文斯理工学院的研究人员以及来自牛津大学、康奈尔大学、罗切斯特大学和德克萨斯大学的同事，他们在《自然通讯》上发表了对这一不寻常结果的解释。他们的主要发现：即使发生化学反应显然已被充分理解，但有时大自然也会采取风景如画的路线。

“事实证明，你不能假设只有一种化学途径在起作用，”史蒂文斯化学与化学生物学系教授张勇博士解释道。“当我们更仔细地观察时，我们发现一些意想不到的、全新的化学反应正在发生。”

所讨论的反应使用工程血红蛋白(例如在我们的血液和肌肉中储存和运输氧气的血红蛋白和肌红蛋白)作为卡宾转移反应的催化剂。目标：使用卡宾(一种反应性极高的碳基分子)生成环丙烷环，然后用环丙烷环生成多种有用的化合物，包括许多重要的抗生素。

使用血红素蛋白触发该反应很有吸引力，因为它们含有丰富的铁作为金属中心，并且无毒、易于微调且在室温下可行。

“这正是安全、廉价地生产药物所需要的，”张博士解释道。“但如果事实证明你还产生了其他类型的意外分子，则可能会产生安全问题或损害反应效率。”

为了了解这种意想不到的化学反应，研究人员使用了一系列尖端技术来探索工作中的化学反应，其中包括由张博士领导的先进计算方法。其他研究单位使用穆斯堡尔光谱和X射线晶体学等技术来表征原子尺度的分子，并结合计算准确绘制所涉及的精确结构。

总的来说，该团队的工作表明，虽然在许多情况下环丙烷环是通过预期的血红素介导的卡宾反应形成的，但也发生了许多其他复杂和意料之外的反应。在某些情况下，计算方法揭示了罕见副反应的可能性，这些副反应需要比室温反应中通常可用的更多的能量。在其他情况下，计算和观察方法确定了可能发生环丙烷化的多种竞争途径。

值得注意的是，一条替代途径导致了一种名为Mb-cIII的肌红蛋白变异复合物的形成，这是该团队最初在烧杯中发现的奇怪的绿色化合物。进一步的研究表明，Mb-cIII复合物自然再生了原始反应中使用的血红素蛋白催化剂，从而使预期的环丙烷化反应能够继续进行。

“我们发现的并不是死胡同，而是一条弯路，”张博士说。“这表明这些重要的反应不是简单和线性的，而是一个复杂的分叉化学途径网络。”

张博士说，该团队理清这些途径并描述环丙烷化反应的全部复杂性的能力应该会简化未来对卡宾反应和生物催化剂的重要研究。至关重要的是，它还显示了使用计算和实验方法探索化学反应的价值，并确保在探索新化学时考虑所有可能的副反应。

“作为科学家，我们需要保持开放的心态，”张博士说。“如果你认为你已经完全了解这些过程是如何工作的，那么你就会限制你发现新事物的机会。”