有時(shí)候，偶然性，或者說(shuō)是純粹的運(yùn)氣，在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中仍然起著關(guān)鍵作用。最近，一組化學(xué)家正在試驗(yàn)使用生物催化過(guò)程來(lái)觸發(fā)環(huán)丙化反應(yīng)，這種反應(yīng)產(chǎn)生了用于各種藥物和其他自然過(guò)程的復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)，這時(shí)發(fā)生了一件不尋常的事情：一燒杯的液體本應(yīng)顯示為渾濁的紅色，卻變成了明亮的綠色。
該研究小組的成員包括史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員以及來(lái)自牛津大學(xué)、康奈爾大學(xué)、羅切斯特大學(xué)和德克薩斯大學(xué)的同事，他們發(fā)表了對(duì)這一奇怪結(jié)果的解釋。他們表示即使化學(xué)反應(yīng)表面上很好理解，有時(shí)大自然也會(huì)選擇風(fēng)景優(yōu)美的路線。
史蒂文斯大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系教授Yong Zhang解釋說(shuō):“事實(shí)證明，你不能假設(shè)只有一種化學(xué)途徑在起作用。我們更仔細(xì)觀察時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)一些意想不到的、全新的化學(xué)反應(yīng)正在發(fā)生。”
這個(gè)反應(yīng)使用了工程血紅蛋白——像血紅蛋白和肌紅蛋白一樣，在我們的血液和肌肉中儲(chǔ)存和運(yùn)輸氧氣，作為二氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)的催化劑。其目標(biāo)是：利用碳烯(一種極具活性的碳基分子)生成環(huán)丙烷環(huán)，然后用環(huán)丙烷環(huán)生成一系列有用的化合物，包括許多重要的抗生素。
使用血紅蛋白來(lái)觸發(fā)該反應(yīng)是有吸引力的，因?yàn)樗鼈兒胸S富的鐵作為金屬中心，無(wú)毒，易于微調(diào)，并且在室溫下存活。Zhang博士解釋說(shuō):“這正是為了安全廉價(jià)地生產(chǎn)藥物所需要的。但如果結(jié)果是你還產(chǎn)生了意想不到的其他類型的分子，它可能會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題或影響反應(yīng)的效率。”
為了理解意想不到的化學(xué)反應(yīng)，研究人員使用了一系列尖端技術(shù)來(lái)探索起作用的化學(xué)，包括由Zhang博士領(lǐng)導(dǎo)的先進(jìn)計(jì)算方法。其他研究單位使用Mössbauer光譜學(xué)和x射線晶體學(xué)等技術(shù)在原子尺度上表征分子，并結(jié)合計(jì)算準(zhǔn)確地繪制出精確的結(jié)構(gòu)。
總的來(lái)說(shuō)，研究小組的工作表明，雖然在許多情況下，環(huán)丙烷環(huán)是通過(guò)預(yù)定的血紅蛋白介導(dǎo)的二氧化碳反應(yīng)形成的，但也發(fā)生了許多其他復(fù)雜和意想不到的反應(yīng)。在某些情況下，計(jì)算方法揭示了罕見副反應(yīng)的可能性，這些副反應(yīng)需要比室溫反應(yīng)中通常可用的更多能量。在其他情況下，計(jì)算和觀察方法確定了可能發(fā)生環(huán)丙烷化的多種競(jìng)爭(zhēng)途徑。
值得注意的是，另一種途徑導(dǎo)致了一種名為Mb-cIII的肌紅蛋白變體復(fù)合物的形成，這是研究小組最初在燒杯中發(fā)現(xiàn)的一種奇怪的綠色化合物。進(jìn)一步的研究表明，Mb-cIII配合物自然地再生了原始反應(yīng)中使用的血紅蛋白催化劑，使預(yù)期的環(huán)丙烷化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
“我們發(fā)現(xiàn)的不是死胡同，而是一條彎路，這是一個(gè)跡象，表明這些重要的反應(yīng)不是簡(jiǎn)單和線性的，而是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)途徑網(wǎng)絡(luò)。”
Zhang博士說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)能夠理清這些途徑并描述環(huán)丙烷化反應(yīng)的全部復(fù)雜性，這將簡(jiǎn)化未來(lái)對(duì)基于碳的反應(yīng)和生物催化劑的重要研究。至關(guān)重要的是，它還顯示了使用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)探索化學(xué)反應(yīng)的價(jià)值，并確保在探索新化學(xué)時(shí)考慮到所有可能的副反應(yīng)。
“作為科學(xué)家，我們需要保持開放的心態(tài)，如果你認(rèn)為自己已經(jīng)完全理解了這些過(guò)程是如何運(yùn)作的，那么你就限制了發(fā)現(xiàn)新事物的機(jī)會(huì)。”
（文章來(lái)源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-5）
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