Nyudviklet molekyle til forbedring af lægemidler henter inspiration fra naturens værktøjskasse

I kapløbet om at skabe mere potente og stabile lægemidler, videnskabsmænd ved, at tilsætning af fluor kan forbedre lægemiddelmolekyler.

Imidlertid, der er kun én fluoreringsreaktion kendt for at forekomme i naturen. Og denne proces udføres af komplekse og højt specialiserede enzymer, der er svære at replikere. Nu, videnskabsmænd har udviklet en ny, strømlinet molekyle, der kan udføre enzymernes arbejde, men som kan designes og kontrolleres minutiøst. Denne nye katalysator forvandler et pengeskab, overkommelige fluorsalt til fluorerede organiske molekyler. Ud over forbedrede lægemidler, fluorerede molekyler kan også fungere som nyttige "radiotracere" i højopløsnings 3-D medicinsk billedteknologi, såsom PET-scanning (positronemissionstomografi).

Robert Paton, en lektor i Institut for Kemi ved Colorado State University, bidraget til den nye undersøgelse, som blev offentliggjort i denne uge i Videnskab . Værket blev udtænkt og ledet af professor Véronique Gouverneur ved University of Oxford, med design og syntese leveret af Gabriele Pupo og Francesco Ibba i Gouverneur -laboratoriet, og virkemåden afdækket ved hjælp af kvantemekaniske beregninger af Oxfords David Ascough og Paton.

"Denne nye katalysator udfører samme funktion som det biologiske enzym, men er en brøkdel af størrelsen og er mere anvendelig, " sagde Paton. Derudover, den designede katalysator kan bruges til at inkorporere fluor i en række organiske molekyler, hvorimod det naturligt forekommende enzym er begrænset til kun ét mål.

Design af en ny molekylær klo

Katalysatorer fremskynder kemiske reaktioner, skabe nye forbindelser ud fra de originale ingredienser. Katalysatoren, som Paton og hans kolleger udviklede, er specifikt indstillet til at integrere fluoratomer i et nyt organisk produkt. "Det fungerer som et arkadespil med kloskran, " sagde Paton om katalysatorens virkemåde. "Du prøver at vælge et blødt legetøj ud af mange og holde godt fast. I bred forstand, det er, hvad vores katalysator gør. Omgivet af andre kemikalier, den binder selektivt fluorid-anioner ved hjælp af tre hydrogenbindinger – faktisk en molekylær klo – og placerer den derefter for at tilføje substratet, "eller målplacering.

Med så specifikke opgaver, katalysatorer er ekstremt udfordrende at skabe fra bunden. "Du forsøger at konstruere et molekyle med en bestemt funktion og en præcis tredimensionel form, " sagde Paton.

Det er her, Patons arbejde kommer ind. Hans laboratorium har specialiseret sig i beregningsanalyse og bruger kvantemekanik til at forudsige struktur og adfærd. Ved at skabe en ny katalysator, "computerstøttet design giver dig mulighed for at visualisere strukturer i atomare skala - på samme måde som du ville designe et nyt fly eller et nyt hus, " sagde han. Tidligere, han tilføjede, "Opdagelsen af ​​nye funktionelle molekyler har i høj grad været afhængig af serendipity og trial and error. Vi har kombineret beregning med eksperiment for at forstå mekanismen for, hvordan denne ting fungerer. Og vi anvendte det tidligt for at guide vores eksperimentelle design."

Denne tilgang giver dem mulighed for at stole mindre på tidskrævende forsøg og fejl. I stedet, "det handler om at minimere fiasko gennem en bedre forståelse af, hvordan reaktioner finder sted, " han sagde.

En grønnere kemi

Paton kom til CSU College of Natural Sciences i januar fra sin stilling som lektor ved Oxford University i Storbritannien, hvor det nye arbejde blev udført. Han bringer sin bredt anvendelige forskning til den nye Kemiforskningsbygning.

Ud over arbejdet med fluor, hans forskning er samlet set også med til at skabe en "grønnere" kemi. Den beregningsmæssige tilgang reducerer forsøg med fejl. Og forbedre katalyse med smartere, specialfremstillede molekyler reducerer også affaldsprodukter.

Nye katalysatorer kunne også sættes i gang med at generere nye, nyttige produkter ud af affald. For eksempel, specielt designede forbindelser kan gøre kasserede planteprodukter til nyttige kemikalier, såsom energiprodukter. Det handler om "at være i stand til at kontrollere katalyse for at generere de produkter, du ønsker, " sagde Paton. Og det arbejde kan en dag ligge bag et bedre farmaceutisk eller renere brændstof - alt sammen takket være en mere effektiv molekylær klo.