Crenarchaeol is een grote, gesloten lus lipide dat aanwezig is in de membranen van ammonium-oxiderende archaea, een eencellige levensvorm die alomtegenwoordig in de oceanen bestaat. In vergelijking met andere archaeale membraanlipiden, crenarchaeol is zeer complex en, tot dusver, pogingen om de structuur ervan te bevestigen door het hele molecuul te synthetiseren, zijn niet succesvol geweest. Organisch chemici van de Rijksuniversiteit Groningen zijn deze uitdaging aangegaan en hebben ontdekt dat de voorgestelde structuur voor het molecuul grotendeels, maar niet helemaal, juist.

Crenarchaeol bevat 86 koolstofatomen en is een macrocyclus, een grote gesloten lus. Maar liefst 22 posities in het molecuul zijn chiraal. Het molecuul kan aanwezig zijn in twee vormen die elkaars spiegelbeeld zijn, zoals een linker- en een rechterhand. In het crenarchaeolmolecuul, alle 22 chirale centra hebben hun eigen specifieke 'handigheid'. Verder, crenarchaeol bevat een zeer ongebruikelijke cyclohexaangroep.

Uitdaging

Dit complexe molecuul werd voor het eerst geïsoleerd in 2002 door Jaap Sinninghe Damsté en collega's van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, NIOZ. Ze identificeerden de structuur ervan met behulp van spectroscopische technieken, maar hun resultaat is nooit bevestigd. Dit is verrassend omdat ammoniumoxiderende archaea een sleutelrol spelen in de oceanische stikstofcyclus en fossiele crenarchaeol en de bijbehorende lipiden worden veel gebruikt door moleculaire paleontologen om de zeetemperaturen in het verleden te reconstrueren. "De structuur van crenarchaeol is een formidabele uitdaging voor synthetische organische chemie, " zegt Adri Minnaard, Hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen. "En we besloten om het op te pakken."

Eerst, 3 milligram van de natuurlijke verbinding werd geïsoleerd en gezuiverd bij het NIOZ, die ongeveer drie maanden duurde. Er zijn slechts kleine hoeveelheden crenarchaeol in elke cel, slechts 0,000000001 gram, maar omdat er zoveel van deze cellen in de oceanen van de wereld zijn en omdat het molecuul erg stabiel is en zich miljoenen jaren in het sediment heeft opgehoopt, het wordt beschouwd als een van de meest voorkomende organische moleculen in mariene sedimenten.

Mount Everest

Er zijn verschillende problemen met het synthetiseren van crenarchaeol; het krijgen van alle chirale centra in de juiste richting is er een van. "En het molecuul bevat veel koolstof-koolstofbindingen, die moeilijk te construeren zijn." Maar het is een uitdaging die een synthetisch organisch chemicus niet kan weerstaan ​​- net zoals een ambitieuze bergbeklimmer de Mount Everest niet kan weerstaan. Minnaard liet de structuur zien aan zijn promovendus Mira Holzheimer, die werkte aan door palladium gekatalyseerde synthetische reacties. "Haar letterlijke reactie was:'Ik wil die berg beklimmen'." Ze maakten een aanvalsplan op papier, waarbij het molecuul uit elkaar werd gehaald in de bouwstenen die konden worden gesynthetiseerd. Dit leverde een voorlopige route op naar de synthese van complete crenarchaeol-moleculen, die Holzheimer onderzocht.

Net als bij het voor de eerste keer beklimmen van een berg, de synthetische route die ze aan het begin ontwierpen leidde soms tot een doodlopende weg. Dit betekende dat we deze stappen moesten herhalen en een nieuwe aanpak moesten proberen. "Je begint met meerdere grammen van de basisverbindingen. Maar in elk van de meer dan 65 tussenstappen, je verliest materiaal, soms tot 50 procent. En als u geen tussenproducten meer heeft, je moet weer helemaal terug, ' legt Minnaard uit.

Schok

Na drie jaar hard werken, Holzheimer had een groot deel van het molecuul geproduceerd, ongeveer de helft van de macrocyclus. Minnaard:"In dat stadium we besloten het te vergelijken met het overeenkomstige deel van de natuurlijke crenarchaeol." Dat gebeurde met behulp van gekoppelde gaschromatografie-massaspectrometrie. De vergelijking werd gemaakt bij het NIOZ en de resultaten kwamen als een schok. "We hebben het juiste koolstofskelet gesynthetiseerd, maar het chromatografische gedrag was niet hetzelfde als dat voor natuurlijke crenarchaeol. Er was iets mis, ’ herinnert Minnaard zich.

Na twee dagen controle, Minnaard en Holzheimer concludeerden dat ze de voorgestelde structuur echt hadden gemaakt. En omdat het niet helemaal overeenkwam met natuurlijke crenarchaeol, dit kon maar één ding betekenen:de voorgestelde structuur was niet helemaal correct. De resultaten wezen in de richting van een van de chirale centra van de ongebruikelijke cyclohexaangroep. "Onze medewerkers van het NIOZ hebben slechts één chiraal centrum op 22 verkeerd toegewezen." De structuurcorrectie werd verder ondersteund door berekeningen op de spectra van zowel natuurlijke als geprepareerde crenarchaeol, die werden uitgevoerd door Prof. Remco Havenith en Dr. Ana Da Cunha. Minnaard. "Dit toont de waarde van synthetische chemie aan:het bouwen van een voorgestelde structuur is de gouden standaard voor validatie."

Kunst

Zo'n complexe constructie als bij crenarchaeol brengt wel wat extra voordelen met zich mee:"We moesten nieuwe synthetische gereedschappen ontwikkelen, die nu worden toegevoegd aan de toolbox voor organische synthese." het hebben van de juiste structuur is relevant voor wetenschappers die archaeale membranen bestuderen. Dit wordt meestal gedaan door middel van simulatie van moleculaire dynamica, legt Minnaard uit, en de volledig juiste structuur is nu beschikbaar. Toch is deze pay-off niet de grootste motivatie voor Minnaard om deze projecten op zich te nemen. "Het hoeft niet altijd een doel te hebben. Voor mij moleculen bouwen kan kunst zijn."