In de race om krachtigere en stabielere medicijnen te maken, wetenschappers weten dat het toevoegen van fluor medicijnmoleculen kan verbeteren.

Echter, er is slechts één fluoreringsreactie bekend die in de natuur voorkomt. En dit proces wordt uitgevoerd door complexe en zeer gespecialiseerde enzymen die moeilijk te repliceren zijn. Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben een nieuwe, gestroomlijnd molecuul dat het werk van enzymen kan doen, maar minutieus kan worden ontworpen en gecontroleerd. Deze nieuwe katalysator transformeert een veilige, betaalbaar fluoridezout in gefluoreerde organische moleculen. Naast verbeterde geneesmiddelen, gefluoreerde moleculen kunnen ook fungeren als nuttige "radiotracers" in 3D-technologie voor medische beeldvorming met hoge resolutie, zoals PET (positron emissie tomografie) scanning.

Robert Paton, een universitair hoofddocent bij de afdeling Scheikunde aan de Colorado State University, bijgedragen aan de nieuwe studie, die deze week werd gepubliceerd in Wetenschap . Het werk is bedacht en geleid door professor Véronique Gouverneur aan de Universiteit van Oxford, met ontwerp en synthese geleverd door Gabriele Pupo en Francesco Ibba in het Gouverneur-lab, en het werkingsmechanisme ontdekt met behulp van kwantummechanische berekeningen door David Ascough en Paton uit Oxford.

"Deze nieuwe katalysator vervult dezelfde functie als het biologische enzym, maar is een fractie van de grootte en is breder toepasbaar, " zei Paton. Bovendien, de ontworpen katalysator kan worden gebruikt om fluor op te nemen in een verscheidenheid aan organische moleculen, terwijl het natuurlijk voorkomende enzym beperkt is tot slechts één doelwit.

Een nieuwe moleculaire klauw ontwerpen

Katalysatoren versnellen chemische reacties, het creëren van nieuwe verbindingen van de originele ingrediënten. De katalysator die Paton en zijn collega's ontwikkelden, is specifiek afgestemd om fluoratomen te integreren in een nieuw organisch product. "Het werkt als een arcadespel met klauwen, "Zei Paton over het werkingsmechanisme van de middelman. "Je probeert een pluizig stuk speelgoed uit de vele te kiezen en je stevig vast te houden. In brede zin, dat is wat onze katalysator doet. Omringd door andere chemicaliën, het bindt selectief fluoride-anionen met behulp van drie waterstofbruggen - in feite een moleculaire klauw - en positioneert het vervolgens om het substraat toe te voegen, " of doellocatie.

Met zulke specifieke taken, katalysatoren zijn een enorme uitdaging om helemaal opnieuw te maken. "Je probeert een molecuul te construeren met een specifieke functie en een precieze driedimensionale vorm, ' zei Paton.

Dat is waar het werk van Paton om de hoek komt kijken. Zijn lab is gespecialiseerd in computationele analyse en gebruikt kwantummechanica om structuur en gedrag te voorspellen. Bij het creëren van een nieuwe katalysator, "Met computerondersteund ontwerp kun je structuren op atomaire schaal visualiseren - op dezelfde manier waarop je een nieuw vliegtuig of een nieuw huis zou ontwerpen, "zei hij. In het verleden, hij voegde toe, "de ontdekking van nieuwe functionele moleculen was sterk afhankelijk van serendipiteit en vallen en opstaan. We hebben berekeningen gecombineerd met experimenten om het mechanisme van dit ding te begrijpen. En we hebben dat al vroeg toegepast om ons experimentele ontwerp te sturen."

Deze aanpak stelt hen in staat minder te vertrouwen op tijdrovend vallen en opstaan. In plaats daarvan, "het gaat om het minimaliseren van mislukkingen door een beter begrip van hoe reacties plaatsvinden, " hij zei.

Een groenere chemie

Paton trad in januari toe tot het CSU College of Natural Sciences vanuit zijn functie als universitair hoofddocent aan de Universiteit van Oxford in het VK, waar het nieuwe werk werd uitgevoerd. Zijn breed toepasbaar onderzoek brengt hij naar het nieuwe Chemistry Research Building.

Naast het werk aan fluor, zijn onderzoek draagt ​​in het algemeen ook bij aan het creëren van een "groenere" chemie. De computationele benadering vermindert trial-and-error-pogingen. En katalyse verbeteren met slimmere, op maat gemaakte moleculen verminderen ook de afvalproducten.

Nieuwe katalysatoren kunnen ook worden ingezet om nieuwe, nuttige producten uit afval. Bijvoorbeeld, specifiek ontworpen verbindingen kunnen afgedankte plantaardige producten omzetten in bruikbare chemicaliën, zoals energieproducten. Het gaat om "de katalyse kunnen beheersen om de producten te genereren die u wilt, " zei Paton. En dat werk zou ooit achter een betere farmaceutische of schonere brandstof kunnen zitten - allemaal dankzij een efficiëntere moleculaire klauw.