🔬 Eine abwegige Hypothese von 1958 zu Vitamin B1 heute bestätigt

Forschern ist es gelungen, ein Carben zu schaffen, das monatelang stabil in Wasser bleibt. Dies stützt eine Theorie, die vor mehreren Jahrzehnten über den Wirkmechanismus von Vitamin B1 in unserem Körper aufgestellt wurde.

Carbene sind besondere chemische Spezies, bei denen der Kohlenstoff eine Elektronenkonfiguration besitzt, die ihn sehr instabil macht. Im Jahr 1958 hatte der Chemiker Ronald Breslow vorgeschlagen, dass Vitamin B1 oder Thiamin bei Stoffwechselreaktionen vorübergehend ein Zwischenprodukt bilden könnte, das einem Carben ähnelt. Diese Hypothese war lange Zeit schwer zu bestätigen, da das in den Zellen vorhandene Wasser als unvereinbar mit dem Überleben solcher Zwischenprodukte angesehen wurde.


Ein Team unter der Leitung von Vincent Lavallo hat ein Carben entworfen, das durch eine molekulare Struktur geschützt ist, basierend auf chlorierten Carboranen. Diese molekulare "Rüstung" verhindert physikalisch, dass Wasser die reaktiven Bereiche des Carbens angreift, und passt gleichzeitig die elektronischen Eigenschaften an, um seine Stabilität zu fördern. Dieser Ansatz kombiniert sterische Abschirmung und elektronische Feinabstimmung und ermöglicht es dem Carben, in wässriger Umgebung zu überdauern.

Um diese Stabilität zu bestätigen, verwendeten die Wissenschaftler Kernspinresonanzspektroskopie und Röntgenkristallographie. Diese Techniken zeigten charakteristische Merkmale des Carbens auf und lieferten ein direktes Bild seiner Struktur, das den Kohlenstoff in einer geschützten Umgebung zeigte. Laut Lavallo ist dies das erste Mal, dass ein in Wasser stabiles Carben beobachtet wurde – ein Fortschritt, der Breslows Intuition bestätigt.

Diese Ergebnisse bedeuten nicht, dass Enzyme genau dieses Molekül verwenden, aber sie zeigen, dass ein Carben in Wasser existieren kann, wenn es ausreichend geschützt ist. Enzyme schaffen oft Mikroumgebungen, die die Reaktivität kontrollieren, indem sie Wasser gezielt ausschließen, um energiereiche Zwischenprodukte zu stabilisieren. Dieses Prinzip ermöglicht ein besseres Verständnis dafür, wie Thiamin in Zellen trotz der Anwesenheit von Wasser funktionieren könnte.

Darüber hinaus hat diese Entdeckung Auswirkungen auf die chemische Industrie. Carbene werden als Liganden in Metallkatalysatoren für wichtige Reaktionen eingesetzt, wie beispielsweise die Synthese von Pharmazeutika. Derzeit verwenden diese Verfahren häufig giftige organische Lösungsmittel, da Wasser die Zwischenprodukte zerstört. Wenn Katalysatoren in Wasser stabil gemacht werden können, eröffnet dies Wege zu saubereren Herstellungsmethoden, die Wasser als Hauptlösungsmittel nutzen.


Dieser Ansatz bietet auch eine neue Methode, um "unsichtbare" reaktive Zwischenprodukte in chemischen Reaktionen zu beobachten. Durch den Schutz dieser empfindlichen Spezies könnten Forscher sie endlich einfangen und direkt untersuchen, was unser Wissen über viele Mechanismen verändern könnte.

Die Fähigkeit von Enzymen, Mikroumgebungen zu manipulieren, ist bei vielen biologischen Reaktionen üblich. Sie beruht auf der dreidimensionalen Struktur von Proteinen, die molekulare Wechselwirkungen steuert. Dieses Prinzip zu verstehen, hilft bei der Entwicklung künstlicher Katalysatoren, die von der Natur inspiriert sind und unter milden und umweltfreundlichen Bedingungen funktionieren können.