Venstre eller højre? Ny algoritme tager chiralitetsbestemmelse til næste niveau

Forskere ved Molecular Photonics-gruppen under Van "t Hoff Instituttet for Molekylær Videnskab ved Universitetet i Amsterdam har væsentligt forbedret den eksperimentelle bestemmelse af molekylers chiralitet eller "handedness" ved hjælp af vibrational circular dichroism (VCD) spektroskopi. Ved at anvende en genetisk algoritme de var i stand til at "tæmme" usikkerheden i VCD-analyse som følge af det faktum, at fleksible molekyler kan antage mange strukturelle konformationer. Deres forbedring kunne betyde, at VCD blev anvendt i stor skala, som et værktøj til high-throughput screening af farmaceutiske forbindelser eller real-time monitorering af (bio)kemiske processer.

Holdet ledet af professor Wybren Jan Buma offentliggør deres nye VCD-metode i 7. september-udgaven af Kemisk Videnskab , flagskibsbladet for Royal Society of Chemistry.

Ifølge førsteforfatter Ph.D. studerende Mark Koenis, "Det er nu muligt at bestemme molekylernes håndhævelse meget mere pålideligt og med bedre kvantitative mål end før."

I deres papir, Buma og kolleger demonstrerer deres nye tilgang, blandt andre, ved undersøgelser af citronellal. Det er et typisk eksempel på den klasse af molekyler, der indtil nu har givet udfordringer - ofte uoverstigelige - for VCD-analyse. Det er chiralt, hvilket betyder, at det kan eksistere som to molekylære strukturer, der er ikke-overlejrede spejlbilleder af hinanden - ligesom en højre hånd og en venstre hånd. Det er også et meget fleksibelt og dynamisk molekyle, der kan adoptere mange forskellige rumlige strukturer, kaldet konformationer.

Rumlig variation forvirrer chiralitetsbestemmelse

At være chiral, citronellal repræsenterer en klasse af molekyler af stor biokemisk og farmaceutisk relevans. Da mange biologiske molekyler (proteiner, enzymer, receptorer, og så videre) er chirale, chirale molekylers "handedness" bestemmer deres biologiske interaktioner. I tilfælde af citronellal, dets chirale spejlstrukturer (kaldet enantiomerer) adskiller sig i interaktion med lugtereceptorer, så det "venstrehåndede" molekyle lugter af appelsiner og dets "højrehåndede" modstykke af citroner. I mange andre molekyler, virkningen af ​​chiralitet kan være meget mere dramatisk. I farmaceutiske applikationer, for eksempel, en enantiomer af et lægemiddel kan have en gavnlig terapeutisk virkning, mens den anden har skadelige biologiske konsekvenser.

At være fleksibel og dynamisk, citronellal illustrerer udfordringerne ved chiralitetsbestemmelse ved hjælp af VCD-spektroskopi. VCD gør brug af cirkulært polariseret lys, der faktisk viser en "handedness" i forskellen mellem den venstre og højre cirkulære polarisation. Dermed, det gør det muligt at skelne mellem venstre- og højrehåndede molekyler. Den sofistikerede teknik giver et spektroskopisk fingeraftryk, der er unikt for hvert molekyle og endda for hvert spejlbillede af det samme molekyle. Faktisk, til alle praktiske formål, VCD er den eneste teknik, der er i stand til at skelne mellem enantiomerer under virkelige forhold.

Hagen, imidlertid, er det, ligesom citronellal, mange molekyler er fleksible og dynamiske, vedtage mange forskellige rumlige strukturer. Hver struktur har sit eget fingeraftryk, så et faktisk VCD-spektrum er summen af ​​alle fingeraftryk af alle rumlige molekylære varianter, der er til stede i prøven. Tilføjelse til dette, mere stabil, lavenergivarianter vil være mere til stede end højereenergivarianter, så ikke alle varianter bidrager lige meget til VCD-spektret. Den strukturelle frihed udgør således et alvorligt problem for at bestemme chiralitet i disse tilfælde.

Genetisk algoritme

Den sædvanlige løsning i VCD-analyse er at bestemme alle mulige konformationer af det molekyle, der undersøges, beregne deres energier og tilsvarende fingeraftryk, og derefter gennemsnit disse individuelle komponenter og sammenligne det resulterende spektrum med det eksperimentelle VCD-spektrum.

Dette er, imidlertid, meget mindre entydigt, end det kan se ud. Mange metoder er tilgængelige til beregning af energier af de forskellige rumlige strukturer, fra meget enkel til meget avanceret. Ifølge Buma, "i værste fald det kan være, at én type beregning ville føre til den konklusion, at molekylet har én bestemt type håndhed, mens en anden form for beregning ville føre til den modsatte konklusion."

Hans team har nu forbedret "beregn og sammenlign"-strategien markant ved eksplicit at tage usikkerheden i de beregnede energier i betragtning. Ved at bruge en genetisk algoritme, som bruger principperne for evolution og "survival of the fittest", kunne de justere bidragene fra de forskellige fingeraftryk på en sådan måde, at den bedste overensstemmelse med det eksperimentelle VCD-spektrum blev opnået. "Det smukke ved vores tilgang er, at den korrekte håndhævelse altid fører til bedre overensstemmelse med de eksperimentelle data end den modsatte håndhed, " siger Koenis. "Endnu vigtigere, det sætter os i stand til at præsentere et kvantitativt mål for pålideligheden af ​​VCD-opgaven."

Øge muligheder for ansøgning

Den genetiske algoritme blev ikke kun testet på citronellal, men også på dehydroquinidin, et chiralt molekyle, der repræsenterer et worst-case scenario, fordi det viser store dynamiske strukturelle ændringer.

I øvrigt, VCD-spektret af dehydroquinidin er eksperimentelt meget sværere at opnå, og det tilgængelige spektrum er derfor af en meget lavere kvalitet, end hvad der normalt tilstræbes. Resultaterne viser, at selv for så vanskelige molekyler er den nye tilgang langt overlegen i forhold til alle eksisterende metoder til absolut konfigurationstildeling.

Forskerne forventer, at deres forbedring af pålideligheden af ​​VCD som et analytisk værktøj vil bringe applikationer inden for rækkevidde, såsom kvalitetskontrol i produktionen af ​​farmaceutiske ingredienser. De har allerede udført undersøgelser for at bestemme niveauer af chirale urenheder ved hjælp af VCD. "Vi har også vist, at notorisk vanskelige problemer såsom molekyler med mange chirale centre kan tackles, " siger Buma. Taget i betragtning, at VCD eksperimentelt er mere enkel og omkostningseffektiv end andre teknikker, han forudser stigende muligheder for anvendelse af teknikken både i udvikling og storskala produktion af chirale molekyler.