Estrarre da uno specchio il riflesso di una molecola? Forse con un enzima. Lo specchio è infatti il mondo delle molecole “difficili da sintetizzare”. Un problema che resta dopo che O. Diels e K. Alder, Nobel per la chimica nel 1950, scoprono nel 1928 la cicloaddizione [4+2], o reazione di Diels-alder. Un nodo che la natura sembra aver sciolto: i ricercatori della Rice university hanno infatti individuato un nuovo enzima per la reazione di Diels-Alder. Sintetizzare le molecole che la termodinamica relegherebbe nel “mondo dello specchio” attraverso un nuovo enzima può lanciare questa reazione oltre il mondo della “grande vecchia sintesi”.

di Tiziano Alimandi

Un nodo da sciogliere

Nel 2013 la rivista Agenwandte Chemie riscontrava il fascino della reazione di Diels-Alder, fotografando nel 23% del totale delle pubblicazioni scientifiche di chimica la parola “Diels-Alder”. Fascino che ancora oggi riempie le ampolle da laboratorio dei chimici. E che si combina con quello degli enzimi e degli specchi.

La reazione viene scoperta da Otto Diels e Kurt Alder nel 1928. Nel 1950, la scoperta frutta ai due chimici l’assegnazione del Nobel per la Chimica. Ad oggi, rimane da sciogliere un nodo fondamentale: dicono i ricercatori della Rice university che “ancora oggi, sono necessari grandi sforzi per costruire molecole complesse con la chiralità desiderata attraverso organo-catalisi o catalisi mediata da metalli di transizione”. Loro hanno da poco scoperto Ctdp, un enzima in grado di catalizzare la reazione di Diels-Alder in modo differente da come lo fanno i suoi cugini enzimatici. Ed ecco che entrano in gioco gli specchi.

La chiralità spiegata con le mani

I ricercatori della Rice University hanno studiato gli enzimi che il fungo Penicillium citrinum utilizza per catalizzare la reazione di Diels-Alder – Diels-alderasi, Da-asi. Il fungo se ne serve per sintetizzare alcuni alcaloidi indolici prenilati (Pia). Da questa fotografia biochimica di P. citrinum è stato osservato e studiato un enzima capace di catalizzare la sintesi di una forma isomerica della 21-r-citradina a.

Questa forma isomerica ha una particolarità. Che cos’è una forma isomerica? L’isomeria è un concetto pertiene alla chiralità: stereoisomeria, enantiomeri, diastereomeri i protagonisti di questo mondo, dove le molecole esistono in uno spazio tridimensionale, e dove è possibile metterle di fronte ad uno specchio e poi sovrapporle – enantiomeri, appunto. E se non sono sovrapponibili, allora sono due cose diverse. Magari una è una tossina, l’altra un farmaco. Per capirci: prendiamo uno specchio. La nostra mano sinistra riflette nello specchio. Ne “prendiamo” il riflesso e lo sovrapponiamo alla mano reale: ci troviamo di fronte a due oggetti non sovrapponibili. Sostituiamo le mani con le molecole: stereoisomeri. Chiralità.

Gli enzimi nella “termodinamica degli specchi”

Aggiungiamo infine all’ampolla da laboratorio una piccola nuova variabile che si chiama termodinamica: tornando alle mani riflesse, la chimica è per sua natura pigra. Produce in maniera spontanea solo ciò che è energeticamente meno dispendioso. Tipo: tra le due mani – quella nello specchio e quella nella realtà – quale delle due è più facile ottenere? Adesso rileggiamo l’assunto iniziale: si tratta insomma di “prendere” la molecola nello specchio e portarla nella realtà, perché quella è il vero farmaco.

E finalmente la 21-r-citradina a: una sua porzione strutturale – per gli appassionati, ad anelli biciclo[2.2.2]diazaottanici – ha almeno quattro modi diversi di disporsi nello spazio: quattro diversi isomeri: α-syn, α-anti, β-syn, β-anti. Gli scienziati hanno osservato nel fungo la presenza della forma isomerica energivora, che la pigra termodinamica relegherebbe nel mondo dello specchio. E si sono chiesti come mai per il fungo fosse così facile. Ctdp. L’enzima è stato localizzato, caratterizzato in vitro, definito nella sua struttura cristallina e testato per la sua capacità catalitica. Lo scopo era capire quali segreti celasse.

Reazione di Diels-Alder e biocatalisi

Ed è curioso che nel 1996 sempre un articolo della Agenwandte Chemie avesse pubblicato un pezzo a firma Sabine Laschat dal titolo “reazioni pericicliche nei sistemi biologici: la natura conosce la reazione di Diels-Alder?” La domanda è retorica. Per questa reazione, all’orizzonte si cominciano a vedere i confini di una nuova sfida: il nodo del cosiddetto scale up, della produzione industriale su vasta scala. Il rilancio di quella che è stata definita “la grande vecchia sintesi”.

“Le Diels-alderasi – dicono i ricercatori della Rice university – sono rimaste elusive per decenni”. Oggi, con la scoperta di una nuova classe di enzimi che si aggiunge questa famiglia, si estende la nostra conoscenza sui meccanismi che la natura ha evoluto per la sintesi di metaboliti complessi. Domani sarà tempo di biocatalisi? È quanto proposto nelle conclusioni dell’articolo.