Блог

Apr 07, 2023

Исследовательская группа из Иллинойса ускоряет методы визуализации для захвата структур малых молекул

Написано Эмили Янкауски УРБАНА, Иллинойс — Университет Иллинойса

Автор Эмили Янкауски

УРБАНА, Иллинойс – Исследовательская работа Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне под руководством Пиншейна Хуанга ускоряет развитие методов визуализации для четкой визуализации структур малых молекул – процесс, который когда-то считался невозможным. Их открытие раскрывает безграничный потенциал в улучшении повседневной жизни — от пластмасс до фармацевтических препаратов.

Доцент кафедры материаловедения и инженерии объединился с соведущими авторами Бланкой Яничек, выпускницей 21 года и постдоком Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, и Прити Харел, аспиранткой химического факультета, доказать методологию, которая позволяет исследователям визуализировать небольшие молекулярные структуры и ускорить современные методы визуализации.

Среди других соавторов — аспирант Сан Хён Бэ и студенты Патрик Кармайкл и Аманда Лутрис. Их рецензируемое исследование недавно было опубликовано в журнале Nano Letters.

Усилия команды раскрывают атомную структуру молекулы, позволяя исследователям понять, как она реагирует, изучить ее химические процессы и увидеть, как синтезировать ее химические соединения.

«Структура молекулы очень важна для ее функции», — сказал Хуанг. «В нашей работе мы сделали возможным увидеть эту структуру напрямую».

Способность видеть структуру небольшой молекулы жизненно важна. Харел рассказывает, насколько это важно, приводя пример лекарства, известного как талидомид.

Обнаруженный в 60-х годах талидомид назначался беременным женщинам для лечения утренней тошноты, а позже было обнаружено, что он вызывает серьезные врожденные дефекты, а в некоторых случаях даже смерть.

Что пошло не так? Препарат имел смешанную молекулярную структуру: одна из них отвечала за лечение утренней тошноты, а другая, к сожалению, вызывала разрушительные побочные эффекты для плода.

Потребность в активной, а не реактивной науке побудила Хуан и ее учеников продолжить исследовательскую работу, которая изначально началась с чистого любопытства.

«Очень важно точно определить структуру этих молекул», — сказал Харел.

Обычно молекулярные структуры определяются косвенными методами — трудоемким и сложным подходом, в котором используется ядерный магнитный резонанс или дифракция рентгеновских лучей. Хуже того, косвенные методы могут создавать неправильные структуры, которые на десятилетия дают учёным неправильное представление о составе молекулы. Неоднозначность, окружающая структуры малых молекул, может быть устранена с помощью методов прямой визуализации.

За последнее десятилетие Хуанг добился значительных успехов в технологии криогенной электронной микроскопии, при которой биологи замораживают большие молекулы, чтобы получить высококачественные изображения их структур.

«У меня возник вопрос: что мешает им сделать то же самое с маленькими молекулами?» Сказал Хуанг. «Если бы мы могли это сделать, вы могли бы решить структуру (и) выяснить, как синтезировать природное соединение, которое производят растения или животные. Это могло бы оказаться действительно важным, как великий борец с болезнями», Сказал Хуанг.

Проблема заключается в том, что маленькие молекулы часто в 100 или даже 1000 раз меньше больших молекул, что затрудняет обнаружение их структур.

Будучи полны решимости, ученики Хуана начали использовать существующую методологию больших молекул в качестве отправной точки для разработки методов визуализации, позволяющих выявить структуры малых молекул.

В отличие от больших молекул, сигналы визуализации от маленьких молекул легко подавляются их окружением. Вместо использования льда, который обычно служит слоем защиты от суровых условий электронного микроскопа, команда разработала другой план, позволяющий сохранить структуры малых молекул нетронутыми.

Как можно смягчить окружающую среду молекулы? С помощью графена.

Графен, один слой атомов углерода, образующих плотную сотовую решетку шестиугольной формы, рассеивает разрушительные реакции во время визуализации.

Стабилизация окружающей среды малых молекул была лишь одной проблемой, которую пришлось решить исследователям из Иллинойса. Команде также пришлось ограничить использование электронов до одной миллионной от количества обычно используемых выборов для освещения молекул.