Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben trillingsspectroscopie met kernresonantie gebruikt om de waterstofbruggen te onderzoeken die de chemische reactiviteit van enzymen moduleren, katalysatoren en biomimetische complexen. De techniek zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van betere katalysatoren voor gebruik in een breed scala van gebieden. De bevindingen werden gepubliceerd als een "Very Important Paper" in het nummer van 3 december van Angewandte Chemie en vermeld op de achterkant van het tijdschrift.

Waterstofbindingen behoren tot de meest fundamentele interacties in de biologie en chemie. Ze zijn verantwoordelijk voor veel van de chemisch belangrijke eigenschappen van water, voor het stabiliseren van de structuren van eiwitten en nucleïnezuren, inclusief die gevonden in DNA en RNA, en dragen bij aan de structuur van natuurlijke en synthetische polymeren.

Onderzoek heeft aangetoond dat waterstofbruggen een belangrijke rol spelen bij het afstemmen van de reactiviteit van de metaalcentra van metallo-enzymen en metaalhoudende katalysatoren. Echter, er is weinig onderzoek gedaan om experimenteel aan te tonen hoe systematische veranderingen in waterstofbruggen binnen de secundaire coördinatiesfeer - moleculen die in de buurt van metaalcentra worden gevonden die geen directe bindingsinteracties met het centrum hebben - de katalytische activiteit beïnvloeden.

Bij katalyse, enzymen of synthetische katalysatoren stimuleren een keten van chemische reacties, die een aantal tussenliggende structuren of soorten voortbrengen. Het begrijpen van die structuren en hun chemische eigenschappen is de sleutel tot het begrijpen van de hele reactie.

"Het grondig begrijpen van de chemische reactiviteit van het reactieve tussenproduct is een belangrijke stap om te bepalen hoe zeer efficiënte en selectieve katalysatoren voor CH-functionalisatie kunnen worden ontworpen, " zei Yisong Guo, assistent-professor scheikunde aan Carnegie Mellon en de hoofdauteur van de studie. "In het geval van dizuurstof-activerende enzymen, de belangrijkste tussenproducten van katalyse zijn ijzer-oxo (Fe-O) en ijzer-hydroxo (Fe-OH) soorten, die betrokken zijn bij belangrijke biologische processen, zoals DNA-biosynthese, DNA- en RNA-reparatie, post-translationele modificatie van eiwitten, biosynthese van antibiotica en afbraak van toxische verbindingen."

Guo en collega's gebruikten 57Fe kernresonantie vibratiespectroscopie (NRVS), een nieuw ontwikkelde techniek op basis van synchrotronstraling, om de trillingsfrequentie te detecteren van Fe-O- en Fe-OH-eenheden van synthetische complexen die interageren met de secundaire coördinatiesfeer via waterstofbruggen. Veranderingen in de frequenties onthulden waardevolle informatie over de bindingssterkten van deze eenheden en verschaften verder een kwalitatieve maatstaf voor de waterstofbindingssterkte.

"Hieruit bleek dat NRVS een gevoelige techniek is om zeer kleine veranderingen in de sterkte van waterstofbruggen op te vangen, tot de veranderingen van een enkele waterstofbrug. Dit biedt ons een nieuwe methode om veranderingen in bindingssterkte van Fe-O- en Fe-OH-eenheden te koppelen aan hun chemische reactiviteit, ' zei Guo.

Guo zegt dat deze studie een proof-of-concept is voor het gebruik van NRVS om waterstofbruggen te onderzoeken. Hij is van plan deze methode te blijven gebruiken om meer ijzer-oxo- en ijzer-hydroxo-soorten in zowel synthetische complexen als enzymen te bestuderen om de hoeveelheid beschikbare gegevens op te bouwen om de chemische reactiviteit van deze soorten te correleren met de veranderingen van waterstofbruginteracties, in de hoop dat die informatie kan worden gebruikt om efficiëntere en effectievere katalysatoren te ontwikkelen.