Их работа, опубликованная в августе в Интернете. 18 в журнале Science, может помочь выявить новые структурные детали для ряда сложных молекул, включая сложные химические соединения и потенциально новые лекарства, за счет их стабилизации внутри прочных структур, известных как металлоорганические каркасы (MOF).
Исследователи представили серию различных молекул, которые были химически связаны внутри этих пористых MOF, каждая размером около 100 миллионных долей метра, а затем использовали рентгеновские методы для определения точной молекулярной структуры образцов внутри MOF.
Образцы варьировались от простого спирта до сложного растительного гормона, и новый метод, получивший название «CAL» для ковалентного выравнивания (молекулы образуют тип химической связи, известной как ковалентная связь в MOF), позволяет исследователям определить полную структура молекулы из монокристалла MOF, содержащего молекулы образца в своих порах.
В исследовании использовались идентичные MOF, которые легко производить в больших количествах, и обеспечивали своего рода основу для молекул образца, которые удерживали их неподвижными для рентгеновских исследований — в противном случае молекулы могут быть шаткими и их трудно стабилизировать.
Исследователи приготовили образцы, погружая MOF в растворы, содержащие различные молекулярные смеси, а затем нагревая их до кристаллизации.
«Мы хотели продемонстрировать, что любые из этих молекул, независимо от их сложности, могут быть включены и их структура может быть определена внутри MOF», — сказал Омар Яги, материаловед из лаборатории Беркли и профессор химии из Калифорнийского университета в Беркли, который руководил исследованием.
MOF также обладают особой «хиральностью», известной как «хиральность» — например, левша против. правша — выборочно связывается с молекулярными образцами, которые также обладают этой праворукостью. Разница в маневренности молекулы особенно важна для фармацевтики, так как может означать разницу между лекарством и ядом.
«Это один из святых Граалей: как кристаллизовать сложные молекулы и определять их хиральность», — сказал Яги.
Сынкю Ли и Юджин А. Капустин, исследователи лаборатории Беркли и аспиранты Калифорнийского университета в Беркли, которые участвовали в последней работе, сказали, что трудноизучаемые белки, такие как те, которые важны для разработки лекарств, являются высокоприоритетными целями для новой техники.
«Мы нацелены на те молекулы, которые никогда раньше не кристаллизовались», — сказал Капустин. "Это наш следующий шаг. Таким образом, мы можем показать не только расположение атомов, но и расположение молекул, в котором заинтересованы фармацевтические компании."
Один из лучших методов изучения трехмерной структуры любой молекулы в атомных деталях — это преобразовать ее в кристалл. Затем исследователи направляют на кристалл интенсивный рентгеновский свет, который создает узор из пятен — как свет от диско-шара. Такие паттерны служат в качестве отпечатка пальца для полного картирования трехмерной структуры молекулы.
Однако некоторые молекулы трудно преобразовать в кристаллы, и процесс кристаллизации отдельной молекулы в некоторых случаях может потребовать многих лет усилий и затрат.
«Чтобы кристаллизовать молекулу, как правило, используется метод проб и ошибок», — сказал Яги. "Каждый химик и биолог должен подчиниться этому процессу.
Но в этом MOF-материале все это не нужно — он захватывает молекулу и упорядочивает ее. Это способ обойти этот метод проб и ошибок в кристаллографии."
По словам Ли, можно протестировать разные типы MOF с разными размерами пор, чтобы определить, какие из них лучше всего работают с разными типами образцов.
Важно отметить, что MOF в последнем исследовании, по-видимому, не искажали естественную, неповрежденную структуру молекул. Исследователи говорят, что можно определить полную трехмерную структуру молекулы, даже если образцы заполняют только около 30 процентов пор MOF.
Исследователи определили атомную структуру MOF и связанных молекул с помощью рентгеновских лучей в Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли, а также изучили MOF, используя метод, называемый ядерным магнитным резонансом (ЯМР), в Молекулярной литейной лаборатории Беркли.
В целом, исследователи изучили 16 различных молекул, связанных внутри пор MOF, в том числе растительный гормон, называемый жасмоновой кислотой, чья хиральная структура никогда ранее не определялась напрямую, другой растительный гормон, известный как гиббереллины, метанол и другие кислоты и спирты.
По словам Капустина, металлы в каркасе MOF на самом деле могут служить для улучшения качества рентгеновских изображений, добавив, что в одном случае этот метод позволил исследователям различать два почти идентичных гормона растений на основе разницы в одной атомной связи.
Исследователи могли видеть структурные детали размером до сотых долей нанометра — меньше, чем диаметр некоторых атомов. "Вы можете с такой точностью увидеть, является ли это двойной связью или одинарной связью, или это атом углерода или какой-либо другой атом", — сказал Ли. «Как только вы свяжете молекулу в MOF, вы сможете очень точно узнать абсолютную структуру, поскольку хиральность MOF служит ориентиром во время уточнения структуры."