Syntese af et af de mest rigelige organiske lipider belyser dets struktur

Crenarchaeol er en stor, lipid med lukket kredsløb, der er til stede i membranerne af ammoniumoxiderende arkæer, en encellet livsform, der findes allestedsnærværende i havene. I sammenligning med andre arkæale membranlipider, crenarchaeol er meget kompleks og, indtil nu, forsøg på at bekræfte dets struktur ved at syntetisere hele molekylet har været mislykkede. Organiske kemikere fra University of Groningen har taget denne udfordring op og opdaget, at den foreslåede struktur for molekylet stort set var, men ikke helt, korrekt.

Crenarchaeol indeholder 86 kulstofatomer og er en makrocyklus, en stor lukket sløjfe. Ikke færre end 22 positioner i molekylet er chirale. Molekylet kan være til stede i to former, der er hinandens spejlbillede, som en venstre og en højre hånd. I crenarchaeol-molekylet, alle 22 chirale centre har deres egen specifikke 'handedness'. Desuden, crenarchaeol indeholder en meget usædvanlig cyclohexangruppe.

Udfordring

Dette komplekse molekyle blev først isoleret i 2002 af Jaap Sinninghe Damsté og kolleger ved Royal Netherlands Institute for Sea Research, NIOZ. De identificerede dens struktur ved hjælp af spektroskopiske teknikker, men deres resultat er aldrig blevet bekræftet. Dette er overraskende, fordi ammoniumoxiderende arkæer spiller en nøglerolle i det oceaniske nitrogenkredsløb, og fossil crenarchaeol og dets ledsagende lipider bruges i vid udstrækning af molekylære palæontologer til at rekonstruere tidligere havtemperaturer. "Strukturen af ​​crenarchaeol er en formidabel udfordring for syntetisk organisk kemi, siger Adri Minnaard, Professor i organisk kemi ved universitetet i Groningen. "Og vi besluttede at tage det op."

Først, 3 milligram af den naturlige forbindelse blev isoleret og oprenset på NIOZ, hvilket tog omkring tre måneder. Der er kun små mængder crenarchaeol i hver celle, kun 0,000000001 gram, men fordi der er så mange af disse celler i verdenshavene, og da molekylet er meget stabilt og har akkumuleret i sedimentet i millioner af år, det menes at være et af de mest udbredte organiske molekyler i marine sedimenter.

Mount Everest

Der er flere problemer med at syntetisere crenarchaeol; at få alle de chirale centre i den korrekte orientering er et af dem. "Og molekylet indeholder en masse carbon-carbon-bindinger, som er svære at konstruere." Men det er en udfordring, som en syntetisk organisk kemiker ikke kan modstå - ligesom en ambitiøs bjergbestiger ikke kan modstå Mount Everest. Minnaard viste strukturen til sin ph.d.-studerende Mira Holzheimer, der arbejdede på palladium-katalyserede syntetiske reaktioner. "Hendes bogstavelige svar var:'Jeg vil bestige det bjerg'." De lavede en angrebsplan på papir, som gik ud på at skille molekylet ad i de byggesten, der kunne syntetiseres. Dette producerede en foreløbig vej mod syntesen af ​​komplette crenarchaeol-molekyler, som Holzheimer udforskede.

Svarende til at bestige et bjerg for første gang, den syntetiske rute, som de designede i starten, førte nogle gange til en blindgyde. Det betød, at man skulle gå tilbage til disse trin og prøve en ny tilgang. "Du starter med flere gram af de grundlæggende forbindelser. Men i hvert af de mere end 65 mellemliggende trin, du mister materiale, nogle gange op til 50 pct. Og hvis du løber tør for mellemprodukter, du skal hele vejen tilbage igen, " forklarer Minnaard.

Chok

Efter tre års hårdt arbejde, Holzheimer havde produceret en stor del af molekylet, omkring halvdelen af ​​makrocyklussen. Minnaard:"På det tidspunkt, vi besluttede at kontrollere det mod den tilsvarende del af naturlig crenarchaeol." Dette blev gjort ved hjælp af koblet gaskromatografi-massespektrometri. Sammenligningen blev foretaget på NIOZ, og resultaterne kom som et chok. "Vi syntetiserede det korrekte kulstofskelet, men den kromatografiske adfærd var ikke den samme som for naturlig crenarchaeol. Der var noget galt, Minnaard husker.

Efter to dages kontrol, Minnaard og Holzheimer konkluderede, at de virkelig havde lavet den foreslåede struktur. Og da det ikke matchede helt med naturlig crenarchaeol, dette kunne kun betyde én ting:den foreslåede struktur var ikke helt korrekt. Resultaterne pegede mod et af de chirale centre i den usædvanlige cyclohexangruppe. "Vores samarbejdspartnere på NIOZ fejltildelte kun ét chiralt center ud af 22." Strukturkorrektionen blev yderligere understøttet af beregninger på spektrene af både naturlig og forberedt crenarchaeol, som blev udført af Prof. Remco Havenith og Dr. Ana Da Cunha. Minnaard. "Dette viser værdien af ​​syntetisk kemi:at bygge en foreslået struktur er guldstandarden for validering."

Kunst

En så kompleks bygning som med crenarchaeol giver nogle ekstra gevinster:"Vi var nødt til at udvikle nye syntetiske værktøjer, som nu er føjet til den organiske synteseværktøjskasse." at have den korrekte struktur er relevant for forskere, der studerer arkæale membraner. Dette gøres normalt gennem simulering af molekylær dynamik, forklarer Minnaard, og den helt korrekte struktur er nu tilgængelig. Alligevel er dette pay-off ikke den største motivation for Minnaard til at påtage sig disse projekter. "Det behøver ikke altid at have et formål. For mig, at bygge molekyler kan være kunst."