O moleculă „imposibilă” domolită în apă confirmă o ipoteză veche de 67 de ani și deschide calea către o chimie mai curată

Sursa foto: Sciencedaily

Un avans științific care părea de domeniul imposibilului a fost realizat: cercetătorii au reușit să creeze și să mențină o moleculă extrem de reactivă în apă, demonstrând în același timp o ipoteză formulată acum 67 de ani despre rolul vitaminei B1 în procesele biologice. Descoperirea, prezentată într-un studiu publicat în Science Advances, nu doar clarifică un mister biochimic de lungă durată, ci poate influența și metodele de fabricație ale medicamentelor, făcându-le mai sigure și mai prietenoase cu mediul.

Primul carben stabil observat în apă

La baza acestei realizări stă stabilizarea unui carbene, o formă a atomului de carbon care are doar șase electroni de valență, în locul celor opt care îi conferă în mod normal stabilitate. Din cauza deficitului electronic, carbenii sunt, în mod uzual, extrem de instabili și reacționează aproape instantaneu cu mediul înconjurător; în apă, de regulă, se descompun imediat. Echipa coordonată de profesorul Vincent Lavallo de la University of California – Riverside a creat însă un carbene care rămâne intact în mediul apos.

Cercetătorii nu s-au limitat la producerea transientă a speciei reactive: au izolat molecula, au etanșat-o într-un tub și au observat-o stabilă timp de luni de zile. Stabilitatea a permis analiza detaliată cu ajutorul spectroscopiei prin rezonanță magnetică nucleară (NMR) și a cristalografiei cu raze X, metode care au furnizat dovezi clare privind existența unui carbene stabil în apă.

O ipoteză din 1958, în sfârșit confirmată

Rezultatele obținute dau greutate unei idei formulate de chimistul Ronald Breslow în 1958: vitamina B1, cunoscută și ca tiamină, ar putea, în condiții celulare, să formeze temporar o structură asemănătoare unui carbene pentru a facilita reacții biochimice esențiale. Deși ipoteza lui Breslow a fost influentă în gândirea chimică, demonstrarea ei a rămas imposibilă pentru că aceste intermediare reactive nu pot fi, în mod obişnuit, capturate sau studiate în apă.

Abordarea echipei lui Lavallo a ocolit acest obstacol prin conceperea unei structuri moleculară protectoare în jurul centrului reactiv, pe care cercetătorul o descrie ca pe „o armură” menită să izoleze carbenele de moleculele de apă și de alți reactivi adiacenți. În urma acestei protecții, carbenele a devenit suficient de stabil pentru a fi caracterizat în detaliu, confirmând astfel ideea pe care Breslow o propusese cu peste șase decenii în urmă.

Declarații ale autorilor

„Este pentru prima dată când cineva a putut observa un carben stabil în apă”, a explicat Vincent Lavallo, profesor de chimie la UC Riverside și autor corespunzător al lucrării. „Mulți considerau această idee ca fiind nebunească. Dar s-a dovedit că Breslow avea dreptate.”

Primul autor al studiului, Varun Raviprolu, care a realizat cercetarea ca doctorand la UCR și este acum cercetător postdoctoral la UCLA, a adăugat: „Am realizat aceste molecule reactive pentru a le explora chimia, nu pentru a urmări în mod explicit o teorie istorică. Totuși munca noastră s-a dovedit a confirma exact ceea ce Breslow a propus în urmă cu mulți ani.”

Spre o chimie mai verde și producția de medicamente

Importanța acestei realizări depășește aspectul pur teoretic. Carbenii sunt folosiți pe scară largă ca «liganzi», adică componente care susțin catalizatori pe bază de metale ce facilitează reacțiile chimice. Astfel de catalizatori sunt esențiali în sinteza medicamentelor, combustibililor și a multor materiale, însă multe procese implică solvenți organici toxici și condiții care pun probleme mediului.

Stabilizarea carbenilor în apă sugerează posibilitatea ca acești catalizatori puternici să funcționeze în medii apoase, ceea ce ar reduce dependența de solvenți organici nocivi. „Apa este solventul ideal — este abundentă, netoxică și prietenoasă cu mediul”, a spus Varun Raviprolu. „Dacă putem face ca acești catalizatori puternici să funcționeze în apă, este un pas important către o chimie mai verde.”

Mai aproape de a imita chimia din celulele vii

Posibilitatea de a genera și menține intermediare reactive în apă apropie chimia de laborator de chimia care are loc natural în celule, mediile biologice fiind în mare parte apoase. Capacitatea de a observa astfel de intermediare deschide oportunitatea de a înțelege și reproduce reacții naturale care, până acum, au rămas în mare parte incapturabile.

„Există și alte intermediare reactive pe care nu le-am putut izola niciodată, la fel cum a fost și cazul acestui carben”, a comentat Vincent Lavallo. „Folosind strategii de protecție precum cea pe care am dezvoltat-o, s-ar putea să fim în sfârșit capabili să le vedem și să învățăm din ele.”

O bornă realizată după ani de muncă

Pentru Lavallo, care a lucrat timp de două decenii cu carbene, realizarea are atât o semnificație științifică, cât și personală. „Acum 30 de ani, oamenii credeau că aceste molecule nici măcar nu pot fi create”, a spus el. „Acum le putem închide într-o sticlă în apă. Ceea ce Breslow a spus cu atâția ani în urmă — a avut dreptate.”

Raviprolu a subliniat și el o lecție mai largă despre perseverență în știință: „Ceva care pare imposibil astăzi ar putea fi posibil mâine, dacă continuăm să investim în cercetare.”

Detalii despre publicație și echipă

Rezultatele și analiza detaliată a stabilizării carbenei în apă sunt prezentate în articolul intitulat „Confirmation of Breslow’s hypothesis: A carbene stable in liquid water”, publicat în Science Advances. Printre autori se numără Varun Tej Raviprolu, Aaron Gregory, Isaac Banda, Scott G. McArthur, Sarah E. McArthur, William A. Goddard, Charles B. Musgrave și Vincent Lavallo. DOI-ul lucrării este 10.1126/sciadv.adr9681.

Mai multe implicații și direcții viitoare

Pe lângă potențialul de a facilita sinteze mai ecologice, capacitatea de a „îmbrăca” intermediare reactive într-o înveliș protector oferă un instrument conceptual și practic pentru chimia fundamentală. Strategia echipei ar putea fi adaptată pentru a izola alte specii reactive încă necunoscute sau insesizabile în medii apoase, extinzând astfel paleta de reacții care pot fi studiate și, în cele din urmă, utilizate în aplicații industriale.

De asemenea, creșterea înțelegerii intermediarilor reacțiilor biochimice ar putea oferi perspective noi în proiectarea de medicamente care interacționează cu enzime sau căi metabolice specifice. Dacă anumite reacții naturale sunt mediate de specii reactive izolate doar temporar în mediul apos intracelular, capacitatea de a replica aceste condiții în laborator ar putea conduce la noi strategii terapeutice.

Studiul semnalează astfel un punct de cotitură: o idee teoretică din anii 1950 a fost transformată în realitate experimentală, iar lecțiile desprinse din această transformare ar putea avea ecouri profunde în chimia teoretică, chimia aplicată și în industria farmaceutică. Descoperirea oferă nu doar confirmarea unei ipoteze istorice, ci și un exemplu clar despre cum inovațiile metodologice pot schimba modul în care abordăm probleme practice legate de mediu și sănătate.

Mai multe detalii despre relatarea inițială a descoperirii pot fi consultate în materialul publicat pe ScienceDaily la adresa sursă: A “impossible” molecule has finally been tamed in water—proving a 67-year-old theory and hinting at a cleaner future for chemistry, iar lucrarea științifică completă este disponibilă prin DOI-ul menționat anterior.