La chimica di destra e di sinistra e il futuro della sintesi

Un metalloenzima a base di nichel. Imagecredit: Wikimedia Commons

Le parole definiscono il mondo. Se non ci fossero le parole, non avremmo la possibilità di parlare di niente. Ma il mondo gira e le parole stanno ferme. Le parole si logorano, invecchiano, perdono di senso, e tutti noi continuiamo ad usarle senza accorgerci di parlare… di niente.

Tutti noi ce la prendiamo con la Storia, ma io dico che la colpa è nostra. E’ evidente che la gente è poco seria quando parla di sinistra o destra. Ma cos’è la destra? Cos’è la sinistra?

Così esordì il Signor G negli anni ’90, durante uno dei suoi memorabili spettacoli, rimarcando che la distinzione fra destra e sinistra è solo un astuto espediente costruito apposta per farci perdere di vista gli obiettivi prioritari. Ma questa è un’altra storia, e richiederebbe un’altra sede per essere sviluppata opportunamente. Tuttavia anche in chimica alcuni composti possono avere tendenze di destra o di sinistra. Non solo, tali composti spesso sono indistinguibili tra loro a meno di una piccola differenza nelle proprietà fisiche, come ad esempio la capacità di “dirottare” verso destra oppure a sinistra un fascio di luce polarizzata.

In molti casi però, solo una delle due forme è di interesse per l’impiego nel settore sanitario, in quello agricolo o alimentare, mentre la sintesi chimica ha lo svantaggio di produrre entrambe le forme molecolari in un miscuglio chiamato racemo, in cui la separazione tra i due enantiomeri presenta qualche difficoltà.  La natura invece è molto più efficiente in questo tipo di sintesi, e per questo motivo i ricercatori hanno pensato di sfruttare gli enzimi per ottenere selettivamente uno o l’altro prodotto. Naturalmente questo percorso non era privo di ostacoli e difficoltà, anche se forse siamo arrivati ad una promettente svolta.

La separazione degli enantiomeri, altrimenti detta risoluzione, può essere ottenuta in diversi modi, uno di questi sfrutta un passaggio che li trasforma in diastereoisomeri, i quali ammettono una separazione per cristallizzazione frazionata, per poi essere riconvertiti nella singola molecola chirale originale così purificata. Un altro metodo si avvale di una tecnica chiamata cromatografia, che permette la separazione dei due componenti di una miscela in base alla specifica affinità per la fase mobile o per quella stazionaria, i due “attori chimici” che consentono questa selezione. Naturalmente questi metodi sono difficilmente riproducibili in grande scala, sono costosi e richiedono diversi stadi di purificazione.

La terza strada, ispirata dalla natura, prevede l’uso degli enzimi, i quali gestiscono le sintesi in maniera molto più oculata e senza sprechi. Tuttavia il numero di enzimi naturali a disposizione per produrre le reazioni di interesse non è molto elevato. Qui entra in gioco la catalisi enzimatica, da cui si ottengono un gran numero di reazioni, anche se spesso con bassa stabilità del catalizzatore e mancanza di specificità.

Ed ecco che arriviamo al passo successivo, ovvero l’idea di combinare la chimica e la biologia per creare dei complessi metalloenzimatici artificiali. La loro struttura è costituita da un catalizzatore inorganico integrato in una struttura della proteina resa inattiva. Ogni componente svolge la sua parte: il catalizzatore inorganico determina la natura della reazione, agendo da sito attivo, mentre la struttura della proteina controlla la produzione della forma molecolare di interesse e l’efficienza della reazione.

Concettualmente parlando questi metalloenzimi artificiali offrono prospettive enormi per la green-chemistry, rimane però ancora aperta la sfida tecnologica di implementare enzimi efficaci per la produzione di ogni molecola di interesse. Ciò comporta l’individuazione della migliore coppia proteina-catalizzatore, la comprensione del suo funzionamento, l’adattamento, ecc

Con lo sviluppo di un metodo per osservare i progressi della reazione chimica nel sito attivo in funzione del tempo, questi ricercatori hanno compiuto un passo fondamentale nello sviluppo dei metalloenzimi. “Attualmente, abbiamo osservato il funzionamento di una reazione di attivazione di ossigeno molecolare. Questa reazione è utilizzata in un gran numero di processi cellulari essenziali per la vita“, spiega Stéphane Ménage, ricercatore del team CNRS Bioinspired Redox Chemistry presso il Life Sciences and Technologies Research Institute (IRTSV).

Esempio di cinetica chimica osservata all'interno di un cristallo. A sinistra: un complesso di ferro nel cristallo di una proteina; al centro: modificazione conformazionale del complesso dopo la riduzione del ferro. A destra: L'incorporazione di ossigeno nel complesso dopo l'attivazione di ossigeno molecolare. Imagecredit: CEA

Per studiare questa reazione, i ricercatori hanno cercato di imitare il processo naturale, con l’introduzione di un ciclo aromatico in un complesso di ferro e incorporando poi il complesso in una proteina la cui unica funzione è il trasporto del nichel nei batteri Escherichia coli. Questa proteina quindi non disturba la reazione chimica di attivazione dell’ossigeno. I ricercatori hanno poi cristallizzato questa metalloproteina artificiale e hanno osservato direttamente l’evoluzione della reazione all’interno del cristallo mediante una tecnica di indagine appropriata: la cristallografia a raggi X. “Il cristallo permette la diffusione dei substrati di reazione e degli intermediari. L’enzima rimane attivo nel cristallo, e le varie fasi della reazione possono essere osservate direttamente al suo interno“, come spiega Christine Cavazza, ricercatore CEA di cristallografia proteica e cristallogenesi presso il Laboratorio dell’Istituto di Biologia Strutturale (IBS).

“L’aspetto più straordinario per noi chimici è che questa combinazione tra proprietà chimiche e biologiche ci permette di osservare tutte le fasi della reazione, cosa che nessun altro prima aveva realizzato in precedenza“, spiega Stéphane Ménage. “Questo è essenziale per lo studio del funzionamento del sito attivo sintetizzato chimicamente. Possiamo quindi adattare la struttura a seconda delle caratteristiche desiderate“.

Fonte: PhysOrg (CNRS)

Altre informazioni: Crystallographic snapshots of the reaction of aromatic C–H with O₂ catalysed by a protein-bound iron complex. Christine Cavazza, et al. Nature Chemistry, online, 2010.