I ricercatori hanno dimostrato che una specie di carbonio eccezionalmente reattiva può essere prodotta e rimanere rilevabile nell’acqua, contraddicendo la consueta convinzione che l’acqua la distrugga immediatamente. Questo semplice fatto acuisce un quadro meccanicistico a lungo dibattuto su come la tiamina (vitamina B1) possa abilitare la chimica enzimatica nelle cellule viventi.
Un team di ricerca è riuscito a “imbottigliare” un carbene altamente reattivo nell’acqua, ribaltando un’importante ipotesi della chimica.
I chimici sono riusciti in un’impresa a lungo considerata impossibile: hanno creato una molecola normalmente ultra-reattiva chiamata carbene e l’hanno mantenuta stabile in acqua per mesi, un risultato che fornisce finalmente “la prova diretta di una teoria sulla vitamina B1 proposta quasi 70 anni fa”.
I carbeni sono specie carboniose insolite, con una configurazione elettronica che li rende estremamente reattivi. Nel 1958, il chimico della Columbia University Ronald Breslow propose che la vitamina B1 (tiamina) svolgesse un ruolo chiave nella chimica metabolica formando brevemente un intermedio simile al carbene.
Il problema è che i carbeni sono specie di carbonio insolitamente reattive che in genere vengono distrutte quasi istantaneamente in acqua, quindi sembravano fondamentalmente incompatibili con l’ambiente ricco di acqua del corpo, rendendo difficile dimostrare l’idea di Breslow.
Un team guidato dal chimico dell’UC Riverside Vincent Lavallo ha ora progettato un carbene che non è solo tollerante all’acqua, ma anche stabile in acqua e lo ha confermato utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) e la cristallografia a raggi X a cristallo singolo.
“È la prima volta che qualcuno riesce a osservare un carbene stabile nell’acqua”, ha affermato Vincent Lavallo, Professore di chimica all’Università della California a Riverside e autore corrispondente dell’articolo. “Si pensava che fosse un’idea folle. Ma a quanto pare Breslow aveva ragione”.
Come hanno creato un carbene che l’acqua non può distruggere
La svolta è arrivata grazie all’ingegnerizzazione sia della schermatura sterica che della regolazione elettronica, creando essenzialmente una “tasca” protettiva attorno al carbonio reattivo. Il gruppo di Lavallo ha avvolto il centro del carbene in una struttura voluminosa a base di carborano altamente clorurato, che agisce come una “armatura” molecolare. La struttura tridimensionale affollata impedisce fisicamente all’acqua di attaccare gli orbitali reattivi del carbene, mentre i sostituenti elettron-attrattori contribuiscono a modificare l’equilibrio acido-base in modo che la forma carbene sia meno facilmente bloccata dall’acqua.
Il team ha tracciato la formazione del carbene attraverso le caratteristiche firme NMR, in particolare nella NMR del carbonio-13, dove il carbonio del carbene appare con uno spostamento chimico nettamente verso il basso. La cristallografia a raggi X ha poi fornito un’istantanea strutturale diretta, confermando la geometria della molecola e mostrando che il carbonio del carbene si trova sepolto in un ambiente stericamente protetto.
Nel corso dei mesi di monitoraggio, il carbene non ha mostrato alcuna decomposizione rilevabile: un risultato straordinario per una specie che normalmente non riesce a resistere pochi secondi in acqua.
“Stavamo creando queste molecole reattive per esplorarne la chimica, non per inseguire una teoria storica“, ha affermato il primo autore Varun Raviprolu, che ha completato la ricerca come studente laureato presso l’UCR e ora è ricercatore post-dottorato presso l’UCLA . “Ma a quanto pare il nostro lavoro ha finito per confermare esattamente ciò che Breslow aveva proposto tanti anni fa”.
Cosa dice sulla chimica della vitamina B1
Ciò non significa che l’organismo produca esattamente questo carbene corazzato. Gli enzimi non utilizzano gabbie di carborano clorurato. Tuttavia, il lavoro dimostra un principio chiave: un carbene può esistere in acqua se è sufficientemente protetto e le condizioni di equilibrio ne favoriscono la formazione, un concetto che aiuta a conciliare il modo in cui gli enzimi dipendenti dalla tiamina possono plausibilmente accedere a intermedi simili ai carbeni pur operando in ambienti acquosi.