Een internationaal team van onderzoekers, geleid door Mark E. Davis bij Caltech, is erin geslaagd de eerste chirale moleculaire zeven te maken. Deze ontdekking opent nieuwe onderzoeksgebieden in zowel scheikunde als biologie, en heeft brede implicaties voor farmaceutische bedrijven en andere gespecialiseerde chemische fabrikanten.

Een eigenschap die veel voorkomt bij de moleculen in cellen is chiraliteit. Objecten met chiraliteit zijn spiegelbeelden van elkaar. Net zoals mensen twee handen hebben die spiegelbeelden van elkaar zijn, moleculen vertonen handigheid en hebben linker- en rechterversies die enantiomeren worden genoemd. Sinds de moleculen van het leven, namelijk eiwitten, suikers en DNA, zijn chiraal, de enantiomeren van moleculen zoals medicijnen hebben totaal verschillende functies wanneer ze een interactie aangaan met cellen.

Speciale chemische industrieën zoals de farmaceutische industrie hebben problemen gehad met het produceren van chirale moleculen. De uitdagingen liggen in het scheiden van linkshandige en rechtshandige versies of het rechtstreeks creëren van alleen het gewenste enantiomeer door een chemische reactie.

Davis en zijn team hebben nu moleculaire zeven uitgevonden die zowel chirale moleculen kunnen sorteren als creëren. Met deze ontwikkeling, fabrikanten kunnen mogelijk meer specifieke en gewenste vormen van medicijnen en andere producten produceren. Een voorbeeld van een medicijn dat verbeterd kan worden, Davis zegt, is het medicijn ibuprofen, ook bekend onder een van zijn merknamen - Advil. Ibuprofen bevat zowel links- als rechtshandige vormen, maar alleen de linkshandige versie is therapeutisch.

"Om bijwerkingen geassocieerd met ibuprofen, zoals maagpijn, zweren, en andere gezondheidsproblemen - het zou handig zijn om gewoon de linkshandige versie te nemen, " zegt Davy, de Warren en Katharine Schlinger hoogleraar Chemical Engineering aan Caltech en hoofdonderzoeker van het nieuwe onderzoek, die verschijnt in het nummer van 1 mei van Proceedings van de National Academy of Sciences . "Het doel voor de toekomst is om specifieke chirale vormen van moleculen te creëren, geen mengsels. Met chirale moleculaire zeven kunnen we dit op nieuwe manieren doen die hoogstwaarschijnlijk minder kostbaar zijn. Deze zeven kunnen robuust en herbruikbaar zijn, en vereisen geen speciale temperaturen en andere bedrijfsomstandigheden."

Moleculaire zeven zijn op silicium gebaseerde kristalroosters die worden gebruikt in commerciële toepassingen van miljarden dollars, variërend van de productie van benzine en dieselbrandstof tot de zuivering van zuurstof uit lucht. de zeven, waarvan vele een klasse zijn genaamd "zeolieten, " eruit zien als Zwitserse kaas onder een microscoop, met onderling verbonden poriën kleiner dan 2 nanometer. De poriën maken deze vaste stoffen zo nuttig:ze laten moleculen van slechts een bepaalde grootte en vorm door. In aanvulling, de poriën kunnen fungeren als katalytische reactiekamers om de productie van specifieke chemische producten te stimuleren.

Om moleculaire zeven te maken die selectief een specifieke vorm van een chiraal molecuul kunnen doorlaten, de onderzoekers maakten verschillende vorderingen. Eerst, co-auteurs van Rice University ontwierpen en implementeerden computationele methoden om het ontwerp van chirale organische moleculen te helpen begeleiden die de synthese van de chirale moleculaire zeven sturen. Tweede, Caltech-onderzoekers - die tientallen jaren hebben besteed aan het leren wat de eigenschappen van de leidende organische moleculen zouden moeten zijn, en hoe je ze vervolgens kunt gebruiken om moleculaire zeven te assembleren - de ontworpen, chirale organische moleculen en synthetiseerde de chirale moleculaire zeven. Derde, wetenschappers van de ShanghaiTech University ontwikkelden een nieuwe, hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopiemethode die werd gebruikt om te bevestigen dat de zeven inderdaad de links- of rechtshandige versies waren. De Caltech-onderzoekers toonden ook aan dat de zeven chirale moleculen konden scheiden of ze konden creëren door chirale reacties te katalyseren.

"Wat we hier door ontwerp kunnen doen, is onderzoekers laten kiezen welke vorm ze willen:als je het rechtshandige molecuul wilt, je gebruikt de juiste moleculaire zeef en die maak je. Als je de andere wilt, je gebruikt de andere moleculaire zeef, " zegt Davy, die al 30 jaar werkt aan het probleem van het maken van chirale moleculaire zeven. "Nutsvoorzieningen, we kunnen voor het eerst moleculen synthetiseren met chiraliteit met behulp van moleculaire zeefkatalysatoren."