Fra bægerglas til løst 3D-struktur på få minutter

I en ny undersøgelse, som en videnskabsmand kaldte kæbefald, et fælles UCLA/Caltech -team har vist, at det er muligt at opnå strukturer af små molekyler, såsom visse hormoner og medicin, på så lidt som 30 minutter. Det er timer og endda dage mindre end tidligere var muligt.

Holdet brugte en teknik kaldet mikro-elektron diffraktion (MicroED), som tidligere var blevet brugt til at lære 3D-strukturer af større molekyler, specifikt proteiner. I denne nye undersøgelse, forskerne viser, at teknikken kan anvendes på små molekyler, og at processen kræver meget mindre forberedelsestid end forventet. I modsætning til relaterede teknikker - hvoraf nogle involverer dyrkning af krystaller på størrelse med saltkorn - er denne metode, som den nye undersøgelse viser, kan arbejde med start-of-the-mill startprøver, nogle gange endda pulvere skrabet fra siden af ​​et bægerglas.

"Vi tog de laveste brynprøver, du kan få, og opnåede strukturer af højeste kvalitet på næsten ingen tid, " siger Caltech professor i kemi Brian Stoltz, som er medforfatter på den nye undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet ACS Central Science . "Da jeg første gang så resultaterne, min kæbe ramte gulvet." Oprindeligt udgivet på pre-print-serveren Chemrxiv i midten af ​​oktober, artiklen er blevet set mere end 35, 000 gange.

Grunden til at metoden fungerer så godt på småmolekylprøver er, at selvom prøverne kan se ud til at være simple pulvere, de indeholder faktisk små krystaller, hver nogenlunde en milliard gange mindre end et støvstykke. Forskere kendte til disse skjulte mikrokrystaller før, men indså ikke, at de let kunne afsløre krystallernes molekylære strukturer ved hjælp af MicroED. "Jeg tror ikke, folk indså, hvor almindelige disse mikrokrystaller er i de pulverformige prøver, " siger Stoltz. "Dette er ligesom science fiction. Jeg troede ikke, at dette ville ske i mit liv - at man kunne se strukturer fra pulvere. "

Resultaterne har konsekvenser for kemikere, der ønsker at bestemme strukturer af små molekyler, som er defineret som dem, der vejer mindre end omkring 900 dalton. (En dalton er omtrent vægten af ​​et brintatom.) Disse bittesmå forbindelser omfatter visse kemikalier, der findes i naturen, nogle biologiske stoffer som hormoner, og en række terapeutiske lægemidler. Mulige anvendelser af MicroED-struktureringsmetoden inkluderer lægemiddelfund, kriminallaboratorium analyse, medicinsk test, og mere. For eksempel, Stoltz siger, metoden kan være nyttig til test af de nyeste præstationsfremmende lægemidler hos atleter, hvor der kun kan forekomme spormængder af et kemikalie.

"Det langsomste trin i at lave nye molekyler er at bestemme produktets struktur. Det er måske ikke længere tilfældet, da denne teknik lover at revolutionere organisk kemi, "siger Robert Grubbs, Caltechs Victor og Elizabeth Atkins professor i kemi og en vinder af 2005 Nobelprisen i kemi, som ikke var involveret i forskningen. "Det sidste store brud i strukturbestemmelse før dette var kernemagnetisk resonansspektroskopi, som blev introduceret af Jack Roberts på Caltech i slutningen af ​​60'erne."

Ligesom andre syntetiske kemikere, Stoltz og hans team bruger deres tid på at finde ud af, hvordan man samler kemikalier i laboratoriet ud fra grundlæggende udgangsmaterialer. Deres laboratorium fokuserer på så naturlige små molekyler som den svampafledte beta-lactam familie af forbindelser, som er relateret til penicilliner. For at bygge disse kemikalier, de skal bestemme strukturerne af molekylerne i deres reaktioner – både mellemmolekylerne og slutprodukterne – for at se, om de er på rette vej.

En teknik til at gøre det er røntgenkrystallografi, hvor en kemisk prøve rammes med røntgenstråler, der afbøjer dets atomer; mønsteret for de røntgenstrålende røntgenstråler afslører 3D-strukturen af ​​det målrettede kemikalie. Tit, denne metode bruges til at løse strukturer af virkelig store molekyler, såsom komplekse membranproteiner, men det kan også anvendes på små molekyler. Udfordringen er, at for at udføre denne metode skal en kemiker skabe klumper af krystal af en god størrelse fra en prøve, hvilket ikke altid er nemt. "Jeg brugte måneder på at prøve at få de rigtige krystaller til en af ​​mine prøver, «siger Stoltz.

En anden pålidelig metode er NMR (kernemagnetisk resonans), som ikke kræver krystaller, men kræver en relativt stor mængde af en prøve, som kan være svære at samle. Også, NMR giver kun indirekte strukturel information.

Før nu, MicroED-som ligner røntgenkrystallografi, men bruger elektroner i stedet for røntgenstråler-blev hovedsageligt brugt på krystalliserede proteiner og ikke på små molekyler. Medforfatter Tamir Gonen, en elektronkrystallografi -ekspert ved UCLA, der begyndte at udvikle MicroED -teknikken til proteiner, mens han var på Howard Hughes Medical Institute i Virginia, sagde, at han først begyndte at tænke på at bruge metoden på små molekyler efter at have flyttet til UCLA og slået sig sammen med Caltech.

"Tamir havde brugt denne teknik på proteiner, og tilfældigvis nævnte, at de nogle gange kan få det til at fungere ved hjælp af kun pulverformige prøver af proteiner, "siger Hosea Nelson (Ph.D. '13), en adjunkt i kemi og biokemi ved UCLA. "Mit sind blev blæst af dette, at du ikke behøvede at dyrke krystaller, og det var på det tidspunkt, hvor teamet begyndte at indse, at vi kunne anvende denne metode til en helt ny klasse af molekyler med vidtrækkende konsekvenser for alle former for kemi. "

Holdet testede flere prøver af forskellige kvaliteter, uden nogensinde at forsøge at krystallisere dem, og var i stand til at bestemme deres strukturer takket være prøvernes rigelige mikrokrystaller. Det lykkedes dem at få strukturer til grundprøver af mærkevarer Tylenol og Advil, og de var i stand til at identificere forskellige strukturer fra en pulveriseret blanding af fire kemikalier.

UCLA/Caltech-teamet siger, at det håber, at denne metode vil blive rutine i kemi-laboratorier i fremtiden.

"I vores laboratorier, vi har studerende og postdocs, der laver helt nye og unikke molekylære enheder hver dag, "siger Stoltz." Nu har vi magten til hurtigt at finde ud af, hvad de er. Dette vil ændre syntetisk kemi."