De Nitschke Group van de Universiteit van Cambridge ontwerpt holle moleculen die fungeren als capsules of kooien die gastmoleculen omsluiten. Deze kooien hebben opwindende potentiële toepassingen op verschillende gebieden. Zij konden, bijvoorbeeld, worden aangepast om medicijnen af ​​te leveren waar ze nodig zijn of om een ​​vervuilende molecule uit een oplossing te verwijderen. In het werk dat onlangs is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , het team rapporteert over de opwindende ontdekkingen die ze hebben gedaan met behulp van hiërarchisch geneste gastheermoleculen, met een buitenste gastheer die een innerlijke gastheer inkapselt, die het gastmolecuul bevat. In hun nieuw ontworpen 'Russische pop'-moleculen, ze ontdekten dat inkapseling de bindingseigenschappen van de innerlijke gastheer kan verbeteren. Hun resultaten bieden ook een nieuwe manier om de stereochemie van een hostraamwerk te fixeren. Dergelijke moleculen zouden kunnen worden gebruikt in toepassingen die afhankelijk zijn van moleculaire herkenning, zoals katalyse, scheidingen, medicijnafgifte, en voelen.

Programmeren van moleculen

Alle kooien die de Nitschke Group ontwerpt, assembleren ze zelf uit eenvoudige bouwstenen. Het ontwerpen ervan vereist een grondig begrip van de geometrie van de voorlopermoleculen en hoe ze aan elkaar plakken, zodat het ontwerp voor de uiteindelijke kooimoleculen in wezen in de bouwstenen wordt 'geprogrammeerd'. Deze kooien kunnen worden ontworpen als grote moleculen, en om een ​​reeks gastbindende vaardigheden te hebben.

In dit werk, het doel was om het holle cryptofaan-111 (CRY) molecuul in te kapselen in een op triazatruxeen gebaseerd FeII4L4-capsulemolecuul. Cryptofanen zijn een soort covalente kooi gebouwd met behulp van twee cyclotribenzyleen-eenheden. Ze kunnen kleine moleculen inkapselen (bijv. methaan of xenon), naast kationen en anionen.

Veel cryptofanen zijn chirale moleculen, met een asymmetrie die betekent dat het molecuul en zijn spiegelbeeld niet over elkaar heen kunnen worden gelegd. (Het klassieke voorbeeld van chiraliteit is de menselijke hand - onze linkerhand is een niet-superponeerbaar spiegelbeeld van onze rechterhand.) Een chiraal molecuul en zijn spiegelbeeld worden enantiomeren genoemd.

Chiraliteit - of 'handigheid'- kan erg belangrijk zijn. Eind jaren vijftig en zestig, een medicijn genaamd Thalidomide werd voorgeschreven aan zwangere vrouwen om ochtendmisselijkheid onder controle te houden. Echter, Thalidomide is een chiraal molecuul, en hoewel de linkshandige versie een nuttig medicijn is, de rechtshandige versie is giftig en veroorzaakte ernstige geboorteafwijkingen bij duizenden kinderen.

Russische pop moleculen

Zoals u zich kunt voorstellen, een gastmolecuul ingesloten in een capsule in een buitenste kooi heeft een enorm complexe structuur. De Nitschke Group heeft BAG toegang tot beamline I19, om de paar maanden monsters naar Diamond te brengen voor kristallografie.

Prof Jonathan Nitschke zegt:"Dr. Tanya Ronson is een briljante kristallograaf, en zij en haar team gebruikten diffractie om de structuur van het kristal op te lossen dat Dr. Dawei Zhang liet groeien. Dat vertelde ons de handigheid van de moleculen, en we konden de cesiumkation-gast in de structuur zien. I19 is een prachtige faciliteit, en we hebben een geweldige werkrelatie met het beamline-personeel. De resultaten die we bij Diamond hebben verkregen, lieten ons alle details van de structuur zien, en gaf ons veel zekerheid."

Zowel het gast- als het gastheermolecuul zijn chiraal, en het gastmolecuul wordt bij voorkeur ingekapseld door één versie van de gastheer. De resultaten toonden aan dat het gastmolecuul zichzelf herschikte in de oplossing om aan die voorkeur tegemoet te komen - iets wat het team nog niet eerder had gezien.

Het ontwerpen van een gastheermolecuul dat de chiraliteit van het gastmolecuul kan onderscheiden (enantiodiscriminatie) opent aanzienlijke mogelijkheden voor (bijvoorbeeld) het zuiveren van geneesmiddelverbindingen, zodat ze alleen de bruikbare variant van het molecuul bevatten. Het team richt zich nu op deze onderzoeksrichting, evenals het bredere gebied van chemische zuivering. Kooimoleculen zouden goed kunnen werken in gesloten omgevingen, bijvoorbeeld, veel minder energie nodig hebben dan de huidige zuiveringssystemen.