L'équipe, qui s'est élargie pour inclure des chercheurs du Stevens Institute of Technology aux côtés de collègues d'Oxford, Cornell, Rochester et de l'Université du Texas, a publié son explication de ce résultat inhabituel dans Nature Communications. . Leur principale découverte :même lorsque les réactions chimiques sont apparemment bien comprises, la nature emprunte parfois la voie du paysage.

"Il s'avère que vous ne pouvez pas supposer qu'il n'y a qu'une seule voie chimique à l'œuvre", explique le Dr Yong Zhang, professeur au Département de chimie et de biologie chimique de Stevens. "Quand nous avons regardé de plus près, nous avons découvert qu'une chimie inattendue et entièrement nouvelle se produisait."

La réaction en question utilisait des hémoprotéines artificielles, comme l'hémoglobine et la myoglobine qui stockent et transportent l'oxygène dans notre sang et nos muscles, comme catalyseur d'une réaction de transfert de carbène. L'objectif :utiliser le carbène, une molécule à base de carbone extrêmement réactive, pour générer un cycle cyclopropane, qui pourrait ensuite être utilisé pour générer une large gamme de composés utiles, notamment un certain nombre d'antibiotiques importants.

L'utilisation d'hémoprotéines pour déclencher cette réaction est intéressante car elles contiennent du Fe en abondance comme centre métallique et sont non toxiques, faciles à affiner et viables à température ambiante.

"C'est exactement ce dont vous avez besoin pour fabriquer des médicaments en toute sécurité et à moindre coût", explique le Dr Zhang. "Mais s'il s'avère que vous produisez également d'autres types de molécules inattendues, cela pourrait créer des problèmes de sécurité ou compromettre l'efficacité de la réaction."

Pour comprendre cette réaction chimique inattendue, les chercheurs ont utilisé une gamme de techniques de pointe pour explorer la chimie à l’œuvre, notamment des méthodes informatiques avancées dirigées par le Dr Zhang. D'autres unités de recherche ont utilisé des techniques telles que la spectroscopie Mössbauer et la cristallographie aux rayons X pour caractériser les molécules à l'échelle atomique et cartographier avec précision les structures précises impliquées en combinaison avec des calculs.

Collectivement, les travaux de l'équipe ont révélé que même si, dans de nombreux cas, des cycles de cyclopropane se formaient via la réaction carbène médiée par les hémoprotéines prévue, un certain nombre d'autres réactions complexes et imprévues se produisaient également. Dans certains cas, les méthodes informatiques ont révélé la possibilité de réactions secondaires rares nécessitant plus d’énergie que celle généralement disponible dans une réaction à température ambiante. Dans d'autres, des méthodes informatiques et observationnelles ont identifié plusieurs voies concurrentes à partir desquelles la cyclopropanation pourrait se produire.

Notamment, une voie alternative a conduit à la formation d’un complexe variant de myoglobine appelé Mb-cIII, l’étrange composé vert que l’équipe avait initialement trouvé dans son bécher. Des recherches plus approfondies ont montré que le complexe Mb-cIII régénérait naturellement les catalyseurs hémoprotéiques utilisés dans la réaction d'origine, permettant ainsi à la réaction de cyclopropanation prévue de se poursuivre.

"Ce que nous avons découvert n'était pas une impasse, mais plutôt un détour", a déclaré le Dr Zhang. "C'est le signe que ces réactions importantes ne sont pas simples et linéaires, mais plutôt un réseau complexe de voies chimiques bifurquées."

La capacité de l'équipe à démêler ces voies et à décrire toute la complexité de la réaction de cyclopropanation devrait rationaliser d'importantes recherches futures sur les réactions à base de carbène et les biocatalyseurs, explique le Dr Zhang. Surtout, cela montre également l'intérêt d'utiliser à la fois des méthodes informatiques et expérimentales pour explorer les réactions chimiques et pour garantir que toutes les réactions secondaires possibles sont prises en compte lors de l'exploration d'une nouvelle chimie.

« En tant que scientifiques, nous devons rester ouverts d'esprit », déclare le Dr Zhang. "Si vous supposez que vous comprenez déjà exactement comment ces processus fonctionnent, alors vous limitez vos possibilités de découvrir de nouvelles choses."