nitrogenasen, de enzymen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van stikstof uit de lucht in de op stikstof gebaseerde verbindingen die door levende wezens worden gebruikt, zijn al tientallen jaren een belangrijk aandachtspunt van chemisch onderzoek vanwege de cruciale rol die stikstofmeststoffen spelen bij het voeden van de snelgroeiende wereldbevolking.

Twee Caltech-onderzoekers hebben het voortouw genomen bij het bestuderen van de moleculaire structuur van deze belangrijke enzymen:Douglas Rees en Garnet Chan.

Rees, Caltech's Roscoe Gilkey Dickinson hoogleraar scheikunde, onderzoeker bij het Howard Hughes Medical Institute, en decaan van graduate studies, is een van de pioniers van dit onderzoek. 1992, Rees publiceerde het eerste artikel dat de structuur van een stikstofase-enzym beschrijft. Vanaf dat moment, zijn laboratorium is de structuur en het gedrag van deze moleculen blijven onderzoeken. Als erkenning voor zijn werk, de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen heeft Rees in september uitgeroepen tot een van de winnaars van de Gregori Aminoff-prijs van dit jaar. De prijs wordt jaarlijks toegekend aan onderzoekers voor hun prestaties op het gebied van kristallografie.

"Het mechanisme van biologische stikstofbinding intrigeert chemici al meer dan een eeuw, " Zegt Rees. "Mijn groep heeft deze vraag benaderd door de röntgenkristalstructuren te bepalen van de stikstofase-eiwitten die de omzetting van atmosferisch distikstof in ammoniak onder fysiologische omstandigheden katalyseren. Dankzij de inspanningen van een opmerkelijke groep afgestudeerde studenten en postdoctorale fellows, in een voortdurende samenwerking met mijn voormalig postdoctoraal adviseur, James Howard, we hebben de moleculaire architectuur van stikstofase tot in detail kunnen definiëren, met bijzondere aandacht voor de ongebruikelijke metalloclusters die de actieve plaats voor deze reactie vormen."

Chan, Caltech's Bren hoogleraar scheikunde, heeft ook onderzoek gedaan naar de structuur van stikstofasen, met behulp van computationele methoden die aanvullende informatie bieden aan de onderzoeken van Rees. Chan's specialiteit is kwantumchemie, een veld dat probeert chemische eigenschappen te verklaren door middel van principes van de kwantummechanica.

Deze maand, Chan en zijn collega's publiceerden een nieuw artikel over stikstofase in Natuurchemie . In dat blad, ze schetsen de elektronische structuur - de rangschikking van elektronen - van de zogenaamde P-clusters die worden aangetroffen in stikstofase-enzymen, zoals bepaald door computersimulaties. P-clusters zijn gebieden binnen het enzym die bestaan ​​uit verschillende aan elkaar gebonden ijzer- en zwavelatomen. Ze zijn verantwoordelijk voor een deel van het chemische proces dat stikstofgas omzet in stikstofverbindingen zoals ammoniak, of stikstofbinding.

Door te bepalen hoe elektronen in deze P-clusters zijn gerangschikt, kunnen onderzoekers het mechanisme dat ten grondslag ligt aan stikstoffixatie beter begrijpen. maar deze regelingen zijn moeilijk te bestuderen gebleken. Het werk van Chan is gebaseerd op nieuwe computationele technieken die in zijn laboratorium zijn ontwikkeld op basis van de ideeën van de kwantuminformatietheorie.

"Zonder de baanbrekende studies van Doug zouden we niet weten hoe de atomen in het P-cluster zijn gerangschikt, " zegt Chan. "Maar met de kennis van deze posities, we kunnen nu theoretische kwantummechanica gebruiken om te visualiseren waar de elektronen zijn, het toevoegen van een nieuw hoofdstuk aan dit lopende verhaal."

Chan's papier, getiteld, "Elektronisch landschap van de P-cluster van stikstofase zoals onthuld door quantum veel-elektron golffunctiesimulaties, " verschijnt in het nummer van 30 september van Natuurchemie .