Gerichte kankermedicijnen werken door een hechte band te creëren tussen kankercellen en specifieke moleculaire doelwitten die betrokken zijn bij de groei en verspreiding van kanker. Gedetailleerde afbeeldingen van dergelijke chemische bindingsplaatsen of routes kunnen belangrijke informatie verschaffen die nodig is voor het maximaliseren van de werkzaamheid van oncogenbehandelingen. Echter, atomaire bewegingen in een molecuul zijn nooit vastgelegd in het midden van de actie, zelfs niet voor een extreem eenvoudig molecuul zoals een triatomisch molecuul, gemaakt van slechts drie atomen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Ihee Hyotcherl van het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea) (hoogleraar, Afdeling Chemie, KAIST), in samenwerking met wetenschappers van het Institute of Materials Structure Science van KEK (KEK IMSS, Japan), RIKEN (Japan) en Pohang Accelerator Laboratory (PAL, Zuid-Korea), rapporteerde de directe observatie van het geboortemoment van chemische bindingen door realtime atomaire posities in het molecuul te volgen.

"We zijn er eindelijk in geslaagd om het aan de gang zijnde reactieproces van de vorming van chemische bindingen in het goudtrimeer vast te leggen. De femtoseconde-resolutiebeelden onthulden dat dergelijke moleculaire gebeurtenissen plaatsvonden in twee afzonderlijke fasen, niet tegelijkertijd zoals eerder werd aangenomen, " zegt adjunct-directeur Ihee Hyotcherl, de corresponderende auteur van de studie. "De atomen in het goudtrimeercomplex blijven in beweging, zelfs nadat de chemische binding is voltooid. De afstand tussen de atomen nam periodiek toe en af, het vertonen van de moleculaire vibratie. Deze gevisualiseerde moleculaire trillingen stelden ons in staat om de karakteristieke beweging van elke waargenomen trillingsmodus te noemen, " voegt Ihee eraan toe.

Atomen bewegen extreem snel op een schaal van femtoseconde (fs) - vierduizendste van een seconde. De beweging is minutieus op het niveau van angstrom, gelijk aan een tien miljardste van een meter. Ze zijn vooral ongrijpbaar tijdens de overgangstoestand waarin reactietussenproducten in een flits overgaan van reactanten naar producten. Het onderzoeksteam maakte deze experimenteel uitdagende taak mogelijk door gebruik te maken van femtoseconde X-ray liquidography (oplossingsverstrooiing).

Deze experimentele techniek combineert laserfotolyse en röntgenverstrooiingstechnieken. Wanneer een laserpuls het monster treft, Röntgenstralen verstrooien en initiëren de chemische bindingsvormingsreactie in het goudtrimeercomplex. Femtoseconde röntgenpulsen verkregen van een speciale lichtbron, een X-ray Free-electron laser (XFEL) genaamd, werden gebruikt om het bindingsvormingsproces te ondervragen. De experimenten werden uitgevoerd in twee XFEL-faciliteiten (4e generatie lineaire versneller), PAL-XFEL in Zuid-Korea en SACLA in Japan, en deze studie werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van KEK IMSS, Pohang-versnellerlaboratorium (PAL), RIKEN, en het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI).

Verstrooide golven van elk atoom interfereren met elkaar en dus worden hun röntgenverstrooiingsbeelden gekenmerkt door specifieke reisrichtingen. Het IBS-onderzoeksteam volgde de realtime posities van de drie goudatomen in de loop van de tijd door röntgenverstrooiingsbeelden te analyseren, die worden bepaald door een driedimensionale structuur van een molecuul. Structurele veranderingen in het molecuulcomplex resulteerden in de loop van de tijd in meerdere karakteristieke verstrooiingsbeelden. Wanneer een molecuul wordt geëxciteerd door een laserpuls, meerdere vibrerende kwantumtoestanden worden tegelijkertijd opgewekt. De superpositie van verschillende geëxciteerde vibrerende kwantumtoestanden wordt een golfpakket genoemd. De onderzoekers volgden het golfpakket in driedimensionale nucleaire coördinaten en ontdekten dat de eerste halve ronde van chemische binding werd gevormd binnen 35 fs na foto-excitatie. De tweede helft van de reactie volgde binnen 360 fs om de volledige reactiedynamiek te voltooien.

De onderzoekers illustreerden ook nauwkeurig moleculaire trillingsbewegingen, zowel in de tijd als in de ruimte. Dit is nogal een opmerkelijke prestatie, aangezien een dergelijke ultrasnelle snelheid en een minimale bewegingslengte zeer uitdagende omstandigheden zijn voor het verkrijgen van nauwkeurige experimentele gegevens.

In dit onderzoek, het IBS-onderzoeksteam verbeterde hun studie uit 2015, gepubliceerd door Natuur . In het vorige onderzoek in 2015 de snelheid van de röntgencamera (tijdresolutie) was beperkt tot 500 fs, en de moleculaire structuur was al veranderd om lineair te zijn met twee chemische bindingen binnen 500 fs. (Figuur 2, rechtsboven) In deze studie, de voortgang van de bindingsvorming en gebogen-naar-lineaire structurele transformatie kon in realtime worden waargenomen, dankzij de verbeteringstijd resolutie tot 100 fs. Daarbij, het asynchrone bindingsvormingsmechanisme waarbij twee chemische bindingen worden gevormd in 35 fs en 360 fs, respectievelijk, en de gebogen-naar-lineaire transformatie voltooid in 335 fs werden gevisualiseerd (Figuur 2, rechtsonder). Kortom, naast het observeren van het begin en einde van chemische reacties, ze rapporteerden elke stap van het tussenproduct, voortdurende herschikking van nucleaire configuraties met drastisch verbeterde experimentele en analytische methoden.

Het onderzoeksteam zal deze methode van 'realtime volgen van atomaire posities in een molecuul en moleculaire trillingen met behulp van femtoseconde röntgenverstrooiing' stimuleren om de mechanismen van organische en anorganische katalytische reacties en reacties met eiwitten in het menselijk lichaam te onthullen. "Door de moleculaire trillingen en realtime posities van alle atomen in een molecuul in het midden van een reactie direct te volgen, we zullen in staat zijn om mechanismen bloot te leggen van verschillende onbekende organische en anorganische katalytische reacties en biochemische reacties, " zegt dr. KIM Jong Goo, de eerste auteur van de studie.

De studie is gepubliceerd in Natuur .