血红蛋白催化比我们想象的要复杂得多
有时，偶然发现——或者纯粹的运气——仍然在科学发现中扮演着关键角色。最近，一组化学家正在试验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，这时发生了一件不寻常的事情：烧杯中的液体本应呈现浑浊的，却变成了亮绿色。
研究团队的成员来自史蒂文斯理工学院，以及牛津大学、康奈尔大学、罗切斯特大学和德克萨斯大学。他们在《自然通讯》上发表了对这一奇怪结果的解释。他们的主要发现是：即使化学反应显然很容易理解，但有时大自然也会选择一条风景优美的路线。
“事实证明，你不能假设只有一种化学途径在起作用，”史蒂文斯大学化学与化学生物学系教授张勇博士解释说。“当我们更仔细地观察时，我们发现发生了一些意想不到的、全新的化学反应。”
所讨论的反应使用工程血红蛋白(如在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。目标是：利用卡宾(一种反应性极强的碳基分子)生成环丙烷环，然后利用该环丙烷环生成多种有用的化合物，包括多种重要的抗生素。
使用血红素蛋白来引发这种反应很有吸引力，因为它们含有丰富的 Fe 作为金属中心，无、易于微调，并且在室温下可行。“这正是安全廉价地生产药物所需要的，”张博士解释说。“但如果发现你还生产了其他类型的意外分子，这可能会造成安全问题或损害反应效率。”
为了理解这一意想不到的化学反应，研究人员采用了一系列尖端技术来探索其中的化学反应，包括张博士领导的先进计算方法。其他研究单位则利用穆斯堡尔光谱和 X 射线晶体学等技术在原子尺度上表征分子，并结合计算准确绘制所涉及的精确结构。
总的来说，该团队的研究发现，虽然在许多情况下环丙烷环是通过预期的血红蛋白介导的卡宾反应形成的，但也发生了许多其他复杂且意料之外的反应。在某些情况下，计算方法揭示了罕见副反应的可能性，这些副反应需要的能量比室温反应中通常可用的能量要多。在其他情况下，计算和观察方法确定了环丙烷化可能发生的多种竞争途径。
值得注意的是，一条替代途径导致形成一种名为 Mb-cIII 的肌红蛋白变体复合物，这是该团队最初在烧杯中发现的奇怪绿色化合物。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蛋白催化剂，从而使预期的环丙烷化反应得以继续。
“我们发现的不是路，而是弯路，”张博士说。“这表明这些重要的反应并不是简单和线性的，而是一个由分叉的化学途径组成的复杂网络。”
张博士表示，该团队能够解开这些途径并描述环丙烷化反应的全部复杂性，这将简化未来对卡宾基反应和生物催化剂的重要研究。至关重要的是，它还展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。“如果你认为自己已经完全了解这些过程的工作原理，那么你发现新事物的机会就会受到限制。”
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