Hvert øjeblik med ultrahurtig kemisk binding fanget på film

Målrettede kræftmedicin virker ved at skabe en tæt forbindelse mellem kræftceller og specifikke molekylære mål, der er involveret i vækst og spredning af kræft. Detaljerede billeder af sådanne kemiske bindingssteder eller veje kan give vigtige oplysninger, der er nødvendige for at maksimere effektiviteten af ​​onkogene behandlinger. Imidlertid, atombevægelser i et molekyle er aldrig blevet fanget midt i handlingen, ikke engang for et ekstremt simpelt molekyle som et triatomisk molekyle, lavet af kun tre atomer.

Et forskerhold ledet af Ihee Hyotcherl fra Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) (professor, Institut for Kemi, KAIST), i samarbejde med forskere ved Institute of Materials Structure Science of KEK (KEK IMSS, Japan), RIKEN (Japan) og Pohang Accelerator Laboratory (PAL, Sydkorea), rapporterede den direkte observation af fødselsmomentet for kemiske bindinger ved at spore atompositioner i realtid i molekylet.

"Det lykkedes os endelig at fange den igangværende reaktionsproces for den kemiske bindingsdannelse i guldtrimeren. Femtosekundopløsningsbillederne afslørede, at sådanne molekylære begivenheder fandt sted i to separate faser, ikke samtidig som tidligere antaget, " siger Associate Director Ihee Hyotcherl, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Atomerne i guldtrimerkomplekset forbliver i bevægelse, selv efter den kemiske binding er fuldført. Afstanden mellem atomerne øges og faldt med jævne mellemrum, udviser molekylær vibration. Disse visualiserede molekylære vibrationer gjorde det muligt for os at navngive den karakteristiske bevægelse af hver observeret vibrationstilstand, " tilføjer Ihee.

Atomer bevæger sig ekstremt hurtigt på en skala på femtosekund (fs) - kvadrilliontedele af et sekund. Bevægelsen er minut på niveau med angstroms, lig med en ti-milliard af en meter. De er især undvigende under overgangstilstanden, hvor reaktionsmellemprodukter hurtigt overgår fra reaktanter til produkter. Forskerholdet gjorde denne eksperimentelt udfordrende opgave mulig ved at bruge femtosekund røntgen-likvidografi (opløsningsspredning).

Denne eksperimentelle teknik kombinerer laserfotolyse og røntgenspredningsteknikker. Når en laserpuls rammer prøven, Røntgenstråler spreder og starter den kemiske bindingsdannelsesreaktion i guldtrimerkomplekset. Femtosekund-røntgenpulser opnået fra en speciel lyskilde kaldet en røntgenfri elektronlaser (XFEL) blev brugt til at forhøre den bindingsdannende proces. Forsøgene blev udført på to XFEL-faciliteter (4. generations lineær accelerator), PAL-XFEL i Sydkorea og SACLA i Japan, og denne undersøgelse blev udført i samarbejde med forskere fra KEK IMSS, Pohang Accelerator Laboratory (PAL), RIKEN, og Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI).

Spredte bølger fra hvert atom interfererer med hinanden, og dermed er deres røntgenspredningsbilleder karakteriseret ved specifikke rejseretninger. IBS-forskerholdet sporede realtidspositioner af de tre guldatomer over tid ved at analysere røntgenspredningsbilleder, som er bestemt af en tredimensionel struktur af et molekyle. Strukturelle ændringer i molekylekomplekset resulterede i flere karakteristiske spredningsbilleder over tid. Når et molekyle exciteres af en laserpuls, flere vibrationelle kvantetilstande er samtidig begejstrede. Superpositionen af ​​flere exciterede vibrationskvantetilstande kaldes en bølgepakke. Forskerne sporede bølgepakken i tredimensionelle nukleare koordinater og fandt ud af, at den første halve runde af kemisk binding blev dannet inden for 35 fs efter fotoexcitation. Den anden halvdel af reaktionen fulgte inden for 360 fs for at fuldføre hele reaktionsdynamikken.

Forskerne illustrerede også nøjagtigt molekylære vibrationsbevægelser både tidsmæssigt og rumligt. Dette er en ganske bemærkelsesværdig bedrift i betragtning af, at sådan en ultrahurtig hastighed og en minuts bevægelseslængde er meget udfordrende betingelser for at opnå præcise eksperimentelle data.

I dette studie, IBS-forskerholdet forbedrede deres undersøgelse fra 2015 udgivet af Natur . I den tidligere undersøgelse i 2015, røntgenkameraets hastighed (tidsopløsning) var begrænset til 500 fs, og molekylstrukturen var allerede ændret til at være lineær med to kemiske bindinger inden for 500 fs. (Figur 2, øverst til højre) I denne undersøgelse, forløbet af bindingsdannelsen og bøjet-til-lineær strukturel transformation kunne observeres i realtid, takket være forbedringstidsopløsningen ned til 100 fs. Derved, den asynkrone bindingsdannelsesmekanisme, hvor to kemiske bindinger dannes i 35 fs og 360 fs, henholdsvis, og den bøjede-til-lineære transformation fuldført i 335 fs blev visualiseret (figur 2, nederst til højre). Kort sagt, ud over at observere begyndelsen og slutningen af ​​kemiske reaktioner, de rapporterede hvert trin i mellemtiden, løbende omlægning af nukleare konfigurationer med dramatisk forbedrede eksperimentelle og analytiske metoder.

Forskerholdet vil skubbe denne metode til 'real-time sporing af atomare positioner i et molekyle og molekylær vibration ved hjælp af femtosekund røntgenspredning' for at afsløre mekanismerne for organiske og uorganiske katalytiske reaktioner og reaktioner, der involverer proteiner i den menneskelige krop. "Ved direkte at spore de molekylære vibrationer og realtidspositioner af alle atomer i et molekyle midt i reaktionen, vi vil være i stand til at afdække mekanismer for forskellige ukendte organiske og uorganiske katalytiske reaktioner og biokemiske reaktioner, " siger Dr. KIM Jong Goo, undersøgelsens første forfatter.

Undersøgelsen er publiceret i Natur .