Een nieuwe manier om de uitkomst van reacties te voorspellen, zou kunnen leiden tot snellere ontdekking van nieuwe materialen, waaronder voor detectie, katalyse, en medicijnafgifte.

Enzymen voeren essentiële chemische en biologische processen uit door biomoleculen in holten binnen hun structuren te brengen en belangrijke reacties te vergemakkelijken. Chemici hebben geprobeerd dit na te bootsen met 'moleculaire kooien' - chemische structuren die holtes bevatten die kleinere moleculen erin kunnen binden, 'gasten' genoemd.

Deze moleculaire kooien hebben het potentieel om te werken als kunstmatige enzym-nabootsers en het is aangetoond dat ze belangrijke reacties versnellen, zoals de hydrolyse van amidebindingen, afbraak van toxines en een reeks chemische transformaties. Het verbeteren van deze reacties zou op een dag de ontwikkeling van nieuwe technologieën op gebieden zoals chemische detectie kunnen stimuleren.

Echter, het kan voor onderzoekers moeilijk zijn om structuren te ontwerpen die zowel nuttig als succesvol kunnen worden gesynthetiseerd in het laboratorium. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Department of Chemistry van Imperial College London hebben een computergestuurde benadering gebruikt om de resultaten van kooibouwreacties met hoge precisie te voorspellen.

Dit zal scheikundigen helpen de ideale bouwstenen te selecteren om kooien met gewenste structuren en eigenschappen voor te bereiden voordat ze proberen ze in het laboratorium te synthetiseren, het minimaliseren van mislukte experimenten. De studie is vandaag gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie .

Nieuwe bouwstenen

Momenteel, om hun synthese te vereenvoudigen, de meeste kooien en hun holtes zijn zeer symmetrisch. Echter, dit beperkt het ontwerp van kooien voor potentiële gastmoleculen. Dit staat in contrast met het vermogen van natuurlijke enzymen om zeer selectief te zijn waarin moleculen zich eraan kunnen binden.

Onderzoekers van Imperial ontwikkelen manieren om kooien te assembleren met een lagere symmetrie, waardoor meer gastspecifieke holtevormen mogelijk zijn, door complexere componenten te gebruiken in hun constructie. Door gebruik te maken van asymmetrische bouwstenen, Er kunnen 'wonky' kooien met interessante holtevormen worden gemaakt.

Echter, asymmetrische bouwstenen zijn moeilijker te maken omdat de uitkomsten van de 'zelf-assemblage'-reacties die nodig zijn om ze te construeren, moeilijker te voorspellen zijn. Mislukte reacties kunnen resulteren in de vorming van een ongewenst molecuul, of zelfs een mengsel van producten, in plaats van de structuur met één doel.

Dit alles betekent dat het bouwen van nieuwe kooien een tijdrovend en kostbaar proces van vallen en opstaan ​​kan zijn, met veel verspilde moeite.

De nieuwe aanpak analyseert in plaats daarvan computationele modellen van potentiële kooien om voorspellingen te doen over hun zelfassemblage. De voorspellingen gebruiken de energie en geometrie van de computationeel geconstrueerde kooien en zijn goede richtlijnen voor de vraag of een zelfassemblageproces tot een enkele structuur zal leiden. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om doelkooimoleculen te selecteren om in het laboratorium voor te bereiden.

Studie co-auteur Dr. Jamie Lewis, van de afdeling scheikunde van Imperial, zei dat "eerder, we moesten gewoon naar het lab en veel dingen proberen tot iets werkte. Nu kunnen we wat snelle berekeningen uitvoeren, kooien identificeren met eigenschappen die nuttig zijn, en wees ervan overtuigd dat we ze zonder problemen kunnen synthetiseren."

Voorspellingskracht

Het team gebruikte software genaamd stk, eerder ontwikkeld bij Imperial, rekenmodellen te bouwen. Naast het hebben van een grote voorspellende kracht, de berekeningen zijn ook erg snel, duurt slechts een paar uur op een gewone desktop-pc.

Hoofdauteur van de studie Dr. Andrew Tarzia, van de afdeling scheikunde van Imperial, zei dat "de efficiëntie van onze aanpak de sleutel is, omdat het ons in staat stelt om in een week veel meer bouwstenen op een computer te testen dan in het laboratorium kunnen worden getest en ook met meer diversiteit."

Op basis van de rekengegevens, het team selecteerde een aantal bouwstenen om in het lab te synthetiseren. Ze ontdekten dat de aanpak met succes de experimentele resultaten van het zelfassemblageproces voorspelde.

Dit stelde hen in staat om verschillende nieuwe 'wonky kooien' met lage symmetrie te maken die nog nooit eerder waren gesynthetiseerd, en verifieerde het nut van de berekeningen om te voorspellen welke moleculen zouden worden gevormd.

Het team gaat nu verder met het ontwikkelen en verbeteren van deze benadering van computationeel geïnformeerde, efficiënte synthese om toegang te krijgen tot nieuwe moleculaire kooien. Met de mogelijkheid om snel te voorspellen welke kooien gemakkelijk in het laboratorium kunnen worden voorbereid, ze hopen dit te gebruiken om nieuwe materialen te maken met een breed scala aan toepassingen in sensing, katalyse, gasopslag en medicijnafgifte.