Nitrogénases, les enzymes responsables de la conversion de l'azote atmosphérique en composés azotés utilisés par les êtres vivants, sont au centre de la recherche en chimie depuis des décennies en raison du rôle central que jouent les engrais azotés dans l'alimentation de la population croissante de la planète.

Deux chercheurs de Caltech ont été à la pointe des études sur la structure moléculaire de ces enzymes importantes :Douglas Rees et Garnet Chan.

Rees, Roscoe Gilkey Dickinson, professeur de chimie de Caltech, chercheur au Howard Hughes Medical Institute, et doyen des études supérieures, est l'un des pionniers de cette recherche. En 1992, Rees a publié le premier article décrivant la structure d'une enzyme nitrogénase. Depuis, son laboratoire a continué à étudier la structure et le comportement de ces molécules. En reconnaissance de son travail, l'Académie royale des sciences de Suède en septembre a nommé Rees comme l'un des lauréats du prix Gregori Aminoff de cette année. Le prix est décerné chaque année à des chercheurs pour leurs réalisations dans le domaine de la cristallographie.

« Le mécanisme de fixation biologique de l'azote intrigue les chimistes depuis plus d'un siècle, " dit Rees. " Mon groupe a abordé cette question en déterminant les structures cristallines aux rayons X des protéines de la nitrogénase qui catalysent la conversion du diazote atmosphérique en ammoniac dans des conditions physiologiques. Grâce aux efforts d'un groupe remarquable d'étudiants diplômés et de stagiaires postdoctoraux, dans une collaboration continue avec mon ancien conseiller postdoctoral, James Howard, nous avons pu définir l'architecture moléculaire de la nitrogénase dans les moindres détails, avec un accent particulier sur les métalloclusters inhabituels qui fournissent le site actif de cette réaction."

Chan, Professeur Bren de chimie de Caltech, a également étudié la structure des nitrogénases, en utilisant des méthodes de calcul qui offrent des informations complémentaires aux études de Rees. La spécialité de Chan est la chimie quantique, un domaine qui tente d'expliquer les propriétés chimiques à travers les principes de la mécanique quantique.

Ce mois-ci, Chan et ses collègues ont publié un nouvel article sur la nitrogénase en Chimie de la nature . Dans ce papier, ils décrivent la structure électronique - l'arrangement des électrons - des soi-disant P-clusters trouvés dans les enzymes nitrogénases, tel que déterminé par des simulations informatiques. Les clusters P sont des régions de l'enzyme constituées de plusieurs atomes de fer et de soufre liés ensemble. Ils sont responsables d'une partie du processus chimique qui transforme l'azote gazeux en composés azotés comme l'ammoniac, ou la fixation de l'azote.

Déterminer comment les électrons sont disposés dans ces clusters P aiderait les chercheurs à mieux comprendre le mécanisme qui sous-tend la fixation de l'azote, mais ces dispositions se sont avérées difficiles à étudier. Le travail de Chan repose sur de nouvelles techniques informatiques développées dans son laboratoire basées sur les idées de la théorie de l'information quantique.

"Sans les études séminales de Doug, nous ne saurions pas comment les atomes sont disposés dans le P-cluster, " dit Chan. " Mais avec la connaissance de ces positions, nous pouvons maintenant utiliser la mécanique quantique théorique pour visualiser où se trouvent les électrons, ajoutant un nouveau chapitre à cette histoire en cours."

le papier de Chan, titré, "Paysage électronique du cluster P de la nitrogénase révélé par des simulations de fonction d'onde quantique à plusieurs électrons, " apparaît dans le numéro du 30 septembre de Chimie de la nature .