Onderzoekers van de Molecular Photonics-groep van het Van "t Hoff Institute for Molecular Sciences aan de Universiteit van Amsterdam hebben de experimentele bepaling van de chiraliteit of "handigheid" van moleculen aanzienlijk verbeterd met behulp van vibrationele circulair dichroïsme (VCD) spectroscopie. Door gebruik te maken van een genetisch algoritme ze waren in staat om de onzekerheden in VCD-analyse te "temmen" die het gevolg zijn van het feit dat flexibele moleculen veel structurele conformaties kunnen aannemen. Hun verbetering zou kunnen zien dat VCD op grote schaal wordt toegepast, bijvoorbeeld als tool voor high-throughput screening van farmaceutische verbindingen of realtime monitoring van (bio)chemische processen.

Het team onder leiding van professor Wybren Jan Buma publiceert hun nieuwe VCD-methode in het 7 september nummer van Chemische Wetenschappen , het vlaggenschip tijdschrift van de Royal Society of Chemistry.

Volgens eerste auteur Ph.D. leerling Mark Koenis, "Het is nu mogelijk om de handigheid van moleculen veel betrouwbaarder en met betere kwantitatieve maatregelen te bepalen dan voorheen."

In hun krant Buma en medewerkers demonstreren hun nieuwe aanpak, onder anderen, door studies over citronellal. Het is een typisch voorbeeld van de klasse van moleculen die tot nu toe uitdagingen vormden - vaak onoverkomelijk - voor VCD-analyse. Het is chiraal, wat betekent dat het kan bestaan ​​als twee moleculaire structuren die niet-superponeerbare spiegelbeelden van elkaar zijn - net als een rechterhand en een linkerhand. Het is ook een zeer flexibel en dynamisch molecuul dat veel verschillende ruimtelijke structuren kan aannemen, conformaties genoemd.

Ruimtelijke variatie verwart de bepaling van chiraliteit

chiraal zijn, citronellal vertegenwoordigt een klasse van moleculen van grote biochemische en farmaceutische relevantie. Omdat veel biologische moleculen (eiwitten, enzymen, receptoren, enzovoort) zijn chiraal, de "handigheid" van chirale moleculen bepaalt hun biologische interacties. In het geval van citronellal, zijn chirale spiegelstructuren (enantiomeren genoemd) verschillen in interactie met reukreceptoren, zodat het "linkshandige" molecuul naar sinaasappels ruikt en zijn "rechtshandige" tegenhanger van citroenen. In veel andere moleculen, het effect van chiraliteit kan veel dramatischer zijn. Bij farmaceutische toepassingen, bijvoorbeeld, één enantiomeer van een medicijn kan een gunstig therapeutisch effect hebben, terwijl de andere schadelijke biologische gevolgen heeft.

Flexibel en dynamisch zijn, citronellal illustreert de uitdagingen van chiraliteitsbepaling door middel van VCD-spectroscopie. VCD maakt gebruik van circulair gepolariseerd licht dat in feite een "handigheid" vertoont in het verschil tussen de linker en rechter circulaire polarisatie. Dus, het maakt het mogelijk onderscheid te maken tussen links- en rechtshandige moleculen. De uitgekiende techniek levert een spectroscopische vingerafdruk op die uniek is voor elk molecuul en zelfs voor elk spiegelbeeld van hetzelfde molecuul. In feite, voor alle praktische doeleinden, VCD is de enige techniek die in staat is om enantiomeren onder reële omstandigheden te onderscheiden.

het addertje onder het gras, echter, is dat, net als citronellal, veel moleculen zijn flexibel en dynamisch, het aannemen van veel verschillende ruimtelijke structuren. Elke structuur heeft zijn eigen vingerafdruk, zodat een daadwerkelijk VCD-spectrum het totaal is van alle vingerafdrukken van alle ruimtelijke moleculaire varianten die in het monster aanwezig zijn. Hieraan toevoegend, stabieler, varianten met een lage energie zullen meer aanwezig zijn dan varianten met een hogere energie, zodat niet alle varianten in gelijke mate bijdragen aan het VCD-spectrum. De structurele vrijheid vormt dus een serieus probleem voor het bepalen van chiraliteit in deze gevallen.

Genetisch algoritme

De gebruikelijke oplossing in VCD-analyse is om alle mogelijke conformaties van het onderzochte molecuul te bepalen, bereken hun energie en bijbehorende vingerafdrukken, en dan deze individuele componenten gemiddeld en het resulterende spectrum vergelijken met het experimentele VCD-spectrum.

Dit is, echter, veel minder duidelijk dan het lijkt. Er zijn veel methoden beschikbaar voor het berekenen van energieën van de verschillende ruimtelijke structuren, van heel eenvoudig tot heel geavanceerd. Volgens Buma, "in het slechtste geval, het kan zijn dat één type berekening zou leiden tot de conclusie dat het molecuul één bepaald type handigheid heeft, terwijl een ander type berekening tot de tegenovergestelde conclusie zou leiden."

Zijn team heeft de "bereken en vergelijk"-strategie nu aanzienlijk verbeterd door expliciet rekening te houden met de onzekerheid in de berekende energieën. Met behulp van een genetisch algoritme dat de principes van evolutie en "survival of the fittest" gebruikt, konden ze de bijdragen van de verschillende vingerafdrukken zo aanpassen dat de beste overeenkomst met het experimentele VCD-spectrum werd verkregen. "Het mooie van onze aanpak is dat de juiste handigheid altijd leidt tot een betere overeenstemming met de experimentele gegevens dan de tegenovergestelde handigheid, " zegt Koenis. "Nog belangrijker, het stelt ons in staat om een ​​kwantitatieve maatstaf voor de betrouwbaarheid van de VCD-opdracht te presenteren."

Toenemende toepassingsmogelijkheden

Het genetische algoritme werd niet alleen getest op citronellal, maar ook op dehydrokinidine, een chiraal molecuul dat een worstcasescenario vertegenwoordigt omdat het grote dynamische structurele veranderingen vertoont.

Bovendien, het VCD-spectrum van dehydrokinidine is experimenteel veel moeilijker te verkrijgen en het beschikbare spectrum is daarom van een veel lagere kwaliteit dan waar normaal naar wordt gestreefd. De resultaten laten zien dat zelfs voor zulke moeilijke moleculen de nieuwe benadering veruit superieur is aan alle bestaande methoden voor absolute configuratietoewijzing.

De onderzoekers verwachten dat hun verbetering van de betrouwbaarheid van VCD als analytisch hulpmiddel toepassingen binnen handbereik zal brengen, zoals kwaliteitscontrole bij de productie van farmaceutische ingrediënten. Ze hebben al studies uitgevoerd om de niveaus van chirale onzuiverheden te bepalen met behulp van VCD. "We hebben ook aangetoond dat notoir moeilijke problemen zoals moleculen met veel chirale centra kunnen worden aangepakt, ", zegt Buma. In aanmerking genomen dat VCD experimenteel eenvoudiger en kosteneffectiever is dan andere technieken, hij ziet steeds meer mogelijkheden voor toepassing van de techniek, zowel bij de ontwikkeling als bij de grootschalige productie van chirale moleculen.