Hurtig måde at skabe molekylære bure på kunne forny søgningen efter nye materialer

En ny måde at forudsige resultatet af reaktioner kan føre til hurtigere opdagelse af nye materialer, herunder til sansning, katalyse, og medicinafgivelse.

Enzymer udfører væsentlige kemiske og biologiske processer ved at tage biomolekyler ind i hulrum i deres strukturer og lette vigtige reaktioner. Kemikere har forsøgt at efterligne dette med 'molekylære bure' - kemiske strukturer, der indeholder hulrum, der kan binde mindre molekyler inden i, kaldet 'gæster'.

Disse molekylære bure har potentialet til at fungere som kunstige enzym-efterligninger og har vist sig at accelerere vigtige reaktioner såsom hydrolyse af amidbindinger, nedbrydning af toksiner og en række kemiske omdannelser. Forbedring af disse reaktioner kan en dag drive udviklingen af ​​nye teknologier inden for områder som kemisk sensing.

Imidlertid, det kan være svært for forskere at designe strukturer, der vil være nyttige såvel som succesfulde syntetiserede i laboratoriet. Nu, forskere fra Institut for Kemi ved Imperial College London har brugt en computerdrevet tilgang til at forudsige resultaterne af burbyggende reaktioner med høj præcision.

Dette vil hjælpe kemikere med at vælge de ideelle byggesten til at forberede bure med ønskelige strukturer og egenskaber, før de forsøger at syntetisere dem i laboratoriet, minimere mislykkede eksperimenter. Undersøgelsen er offentliggjort i dag i Angewandte Chemie International Edition .

Nye byggeklodser

I øjeblikket, for at forenkle deres syntese, de fleste bure og deres hulrum er meget symmetriske. Imidlertid, dette begrænser designet af bure til potentielle gæstemolekyler. Dette står i kontrast til naturlige enzymers evne til at være meget selektive, hvor molekyler kan binde sig til dem.

Forskere ved Imperial er ved at udvikle måder at samle bure med lavere symmetri, tillader mere gæstespecifikke hulrumsformer, ved at bruge mere komplekse komponenter i deres konstruktion. Ved at bruge usymmetriske byggeklodser, 'wonky' bure med interessante hulrumsformer kan skabes.

Imidlertid, usymmetriske byggeklodser er sværere at skabe, fordi resultaterne af de 'selv-samlende' reaktioner, der er nødvendige for at konstruere dem, er sværere at forudsige. Mislykkede reaktioner kan resultere i dannelsen af ​​et uønsket molekyle, eller endda en blanding af produkter, snarere end den enkelte målstruktur.

Alt dette betyder, at konstruktion af nye bure kan være en tidskrævende og kostbar prøve-og-fejl-proces, med masser af spildte kræfter.

Den nye tilgang analyserer i stedet beregningsmodeller af potentielle bure for at komme med forudsigelser om deres selvsamling. Forudsigelserne bruger energien og geometrien i de beregningsmæssigt konstruerede bure og er gode guider til, om en selvsamlingsproces vil føre til en enkelt struktur. Denne information kan derefter bruges til at udvælge målburmolekyler til at forberede i laboratoriet.

Studiets medforfatter Dr. Jamie Lewis, fra Institut for Kemi ved Imperial, sagde, at "tidligere vi har bare skulle ind i laboratoriet og prøve en masse ting, indtil noget virkede. Nu kan vi køre nogle hurtige beregninger, identificere bure med egenskaber, der er nyttige, og vær sikker på, at vi kan syntetisere dem uden problemer."

Forudsigelseskraft

Holdet brugte software kaldet stk, tidligere udviklet hos Imperial, at bygge beregningsmodellerne. Udover at have stor forudsigelseskraft, beregningerne er også meget hurtige, tager kun et par timer på en almindelig stationær pc.

Hovedforfatter af undersøgelsen Dr. Andrew Tarzia, fra Institut for Kemi ved Imperial, sagde, at "effektiviteten af ​​vores tilgang er nøglen, fordi den giver os mulighed for at teste mange flere byggeklodser på en computer på en uge, end der kunne testes i laboratoriet og også med mere mangfoldighed."

Baseret på beregningsdata, holdet udvalgte en række byggeklodser til at syntetisere i laboratoriet. De fandt ud af, at tilgangen med succes forudsagde de eksperimentelle resultater af selvsamlingsprocessen.

Dette gjorde det muligt for dem at forberede flere nye lavsymmetriske 'wonky bure', som aldrig var blevet syntetiseret før, og verificerede anvendeligheden af ​​beregningerne til at forudsige, hvilke molekyler der ville dannes.

Teamet fortsætter nu med at udvikle og forbedre denne tilgang til beregningsmæssigt informeret, effektiv syntese for at få adgang til nye molekylære bure. Med evnen til hurtigt at forudsige, hvilke bure der let kan forberedes i laboratoriet, de håber at kunne bruge dette til at lave nye materialer med en bred vifte af anvendelser inden for sansning, katalyse, gasopbevaring og medicinafgivelse.