Onderzoekers nemen snapshots van chemische reacties in een biljoenste van een seconde in de hoop de volgende generatie antibiotica en antivirale medicijnen te ontwikkelen.

Met behulp van de modernste lasertechnologie, wetenschappers van Cardiff University en het Rosalind Franklin Institute maken 'freeze frame movies' van chemische reacties, met een hoofdrol voor een specifiek enzym dat gebruikt zou kunnen worden om nieuwe medicijnen te maken die actief zijn tegen virussen, zoals COVID-19.

De technologie stelt het team in staat om de chemie te observeren die plaatsvindt in een enzym gedurende zeer korte tijdsperioden, waardoor wetenschappers inzicht krijgen in hoe de eiwitstructuur de chemische reactie mogelijk maakt.

Deze informatie zal essentieel zijn voor de inspanningen van het team om het enzym opnieuw te ontwikkelen, zodat het kan worden gebruikt om verbindingen met antivirale eigenschappen op een snelle en efficiënte manier te produceren.

Om dit te behalen, ze profiteren van de krachtige mogelijkheden van een röntgenvrije elektronenlaser (XFEL) in Hamburg, Duitsland.

De XFEL kan worden gebruikt om foto's te maken van enzymreacties in kristallen door röntgenpulsen af ​​te vuren die een femtoseconde duren - een quadriljoenste van een seconde. De bindingen tussen individuele atomen duren ongeveer 10 femtoseconden om te vormen tijdens chemische reacties, wat betekent dat de XFEL in staat moet zijn om snapshots te maken van structuren terwijl ze vorm krijgen binnen het enzym.

Dit waarmaken, echter, is een technisch veeleisende prestatie die niet is gerapporteerd voor de klasse van enzymen die door het team wordt bestudeerd.

Het team zal specifiek aandacht besteden aan een enzym dat aanwezig is in Streptomyces, bacteriën die gewoonlijk in de bodem en in rottende vegetatie leven en die verantwoordelijk zijn voor de productie van meer dan tweederde van de klinisch bruikbare antibiotica die in de natuur worden aangetroffen.

Dit enzym vergemakkelijkt de constructie van een binding tussen twee koolstofatomen, een reactie beschreven door de onderzoekers als "de chemie van het leven op zijn meest basale".

Het begrijpen van deze koolstof-koolstofbinding-vormende reactie is belangrijk omdat het wordt aangetroffen in C-nucleosiden - een bepaalde klasse van moleculen die zeer veelbelovende kandidaten zijn voor toekomstige antivirale geneesmiddelen. Een voorbeeld van een C-nucleoside is remdesivir, ontwikkeld door Gilead Sciences, Inc., die momenteel over de hele wereld wordt uitgeprobeerd als een mogelijke behandeling voor COVID-19.

"We creëren in wezen een stilstaand beeld van chemie in actie, ", zei mede-onderzoeker van het project, professor Nigel Richards van de School of Chemistry van Cardiff University. "Chemische bindingen vormen en breken in zeer korte tijd, veel te snel om gezien te worden met andere technieken. De nieuwe XFEL-technologie biedt een oplossing voor dit probleem voor enzymgekatalyseerde chemische reacties."

"Deze state-of-the-art technologie zal ons in staat stellen om biochemisch belangrijke reacties te bestuderen zoals we nooit eerder hebben kunnen doen, het openen van een reeks nieuwe mogelijkheden voor het ontdekken en ontwikkelen van geneesmiddelen.

"Onze baanbrekende experimenten zullen waarschijnlijk veranderen hoe we denken over chemische reacties die plaatsvinden in enzymen - een grote uitdaging van de chemie, biochemie en biologie. Dit zal ons op zijn beurt in staat stellen om bibliotheken van vergelijkbare enzymen te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt om potentiële antibiotica en antivirale verbindingen te maken, het proces van medicijnontdekking te vergemakkelijken."

"C-nucleosiden zijn moleculen van de toekomst bij het ontdekken van geneesmiddelen, " vervolgde professor Richards. "Deze verbindingen worden in de natuur al veel gebruikt om bacteriën en virussen te doden."

"Als we een enzym kunnen gebruiken om de belangrijkste koolstof-koolstofbinding van C-nucleosiden in het laboratorium te maken, kunnen we een verscheidenheid aan nieuwe verbindingen bouwen die kunnen worden geëvalueerd als potentiële geneesmiddelen, " hij zei.