Vitamina B1-Immagine credit public domain.
La tiamina 1, più comunemente nota come vitamina B 1, è un micronutriente essenziale per la vita umana e per altre forme di vita. Le forme fosforilate di tiamina sono essenziali per alcuni percorsi metabolici. Ad esempio, la 1 , sotto forma di pirofosfato cocarbossilasi, è il coenzima per un certo numero di importanti percorsi biochimici acquosi, come la decarbossilazione dell’acido piruvico ad acetaldeide e la conversione dell’acido piruvico ad acetoina. È stato dimostrato che l’attività di questi enzimi richiede il legame 1 ed è dipendente dal pH. Questo comportamento, unito al fatto che tutte le strutture cristalline note dei siti attivi di questi enzimi contengono acqua nel reticolo, suggerisce che i processi catalitici osservati siano tolleranti all’acqua.
Ora, i chimici hanno confermato una teoria sulla vitamina B1 vecchia di 67 anni, stabilizzando una molecola reattiva in acqua: un’impresa a lungo ritenuta impossibile. La scoperta non solo risolve un mistero biochimico, ma apre anche la strada a metodi più ecologici ed efficienti per la produzione di farmaci.
La molecola in questione è un carbene, un tipo di atomo di carbonio con solo sei elettroni di valenza. Generalmente, il carbonio è stabile con otto elettroni attorno a sé. Con soli sei elettroni, è chimicamente instabile e altamente reattivo. In acqua, di solito si decompone istantaneamente. Ma per decenni gli scienziati hanno sospettato che la vitamina B1, nota anche come tiamina, potesse formare una struttura simile a quella del carbene nelle nostre cellule per svolgere reazioni vitali nell’organismo.
Ora, per la prima volta, i ricercatori non solo hanno generato un carbene stabile in acqua, ma lo hanno anche isolato, sigillato in una provetta e osservato come rimanesse intatto per mesi. Questa scoperta è documentata in un nuovo articolo pubblicato su Science Advances.
“Questa è la prima volta che qualcuno riesce a osservare un carbene stabile nell’acqua. La gente pensava che fosse un’idea folle. Ma a quanto pare, Breslow aveva ragione”, dice Vincent Lavallo, Professore di chimica all’UC Riverside e autore corrispondente dell’articolo.
Il riferimento è a Ronald Breslow, un chimico della Columbia University che nel 1958 ipotizzò che la vitamina B1 potesse convertirsi in un carbene per guidare le trasformazioni biochimiche nell’organismo. L’idea di Breslow era convincente, ma i carbeni erano così instabili, soprattutto in acqua, che nessuno riuscì a dimostrarne l’effettiva esistenza in un contesto biologico.
Il team di Lavallo è riuscito nell’intento avvolgendo il carbene in quella che lui chiama “un’armatura”, una molecola sintetizzata in laboratorio che protegge il centro reattivo dall’acqua e da altre molecole. La struttura risultante è sufficientemente stabile da poter essere studiata con la spettroscopia a risonanza magnetica nucleare e la cristallografia a raggi X, fornendo una prova conclusiva che carbeni come questo possono esistere 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 confermato esattamente ciò che Breslow aveva proposto tanti anni fa“.
Oltre a confermare un’ipotesi biochimica, la scoperta ha implicazioni pratiche. I carbeni sono spesso utilizzati come “leganti”, o strutture di supporto, nei catalizzatori a base metallica, i cavalli di battaglia chimici impiegati per produrre prodotti farmaceutici, combustibili e altri materiali. La maggior parte di questi processi si basa su solventi organici tossici. Il metodo dei ricercatori per stabilizzare i carbeni in acqua potrebbe contribuire a rendere queste reazioni più pulite, meno costose e più sicure.
“L’acqua è il solvente ideale: è abbondante, non tossica ed ecologica”, ha affermato Raviprolu. “Se riuscissimo a far funzionare questi potenti catalizzatori nell’acqua, faremmo un grande passo avanti verso una chimica più ecologica“.
Sapere che tali molecole intermedie reattive possono essere generate e sopravvivere nell’acqua porta gli scienziati un passo più vicini a imitare il tipo di chimica che avviene naturalmente nelle cellule, che sono costituite principalmente da acqua.
“Ci sono altri intermedi reattivi che non siamo mai riusciti a isolare, proprio come questo”, ha detto Lavallo. “Usando strategie protettive come le nostre, potremmo finalmente essere in grado di vederli e imparare da loro“.
Per Lavallo, che ha trascorso due decenni a progettare carbeni, si tratta di un momento sia professionale che personale.
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“Solo 30 anni fa, si pensava che queste molecole non potessero nemmeno essere prodotte”, ha detto. “Ora possiamo imbottigliarle nell’acqua. Quello che Breslow disse tanti anni fa, aveva ragione!“.
Spiegano gli autori:
“Nel 1958, Breslow propose che il coenzima tiamina, noto anche come vitamina B1 , agisse come fonte di carbeni transitori che facilitavano l’attività catalitica di vari enzimi importanti. Si trattava di un’ipotesi controversa, poiché, allora come oggi, si ritiene che i carbeni siano incompatibili con l’acqua. Sebbene prove come gli esperimenti di marcatura con deuterio e l’intrappolamento del cosiddetto intermedio di Breslow supportino l’ipotesi di Breslow, non è mai stata presentata alcuna prova spettroscopica a dimostrazione dell’esistenza o della generazione di carbeni in acqua. In questo studio, rendiamo nota la sintesi e la completa caratterizzazione spettroscopica mediante risonanza magnetica nucleare e la struttura monocristallina di un carbene che può essere generato in acqua e isolato come specie stabile, convalidando così inequivocabilmente l’ipotesi visionaria di Breslow”.
Per Raviprolu, la scoperta serve a ricordare che è importante perseverare nella ricerca e nelle scoperte scientifiche.
“Ciò che oggi sembra impossibile potrebbe esserlo domani, se continuiamo a investire nella scienza”, ha affermato.
Fonte: Science Advances