In een nieuwe studie die een wetenschapper adembenemend noemde, een gezamenlijk UCLA/Caltech-team heeft aangetoond dat het mogelijk is om de structuren van kleine moleculen te verkrijgen, zoals bepaalde hormonen en medicijnen, in slechts 30 minuten. Dat zijn uren en zelfs dagen minder dan voorheen mogelijk was.

Het team gebruikte een techniek genaamd micro-elektronendiffractie (MicroED), die in het verleden was gebruikt om de 3D-structuren van grotere moleculen te leren, specifiek eiwitten. In deze nieuwe studie laten de onderzoekers zien dat de techniek toepasbaar is op kleine moleculen, en dat het proces veel minder voorbereidingstijd vereist dan verwacht. In tegenstelling tot verwante technieken, waarvan sommige het kweken van kristallen ter grootte van zoutkorrels, is deze methode zoals de nieuwe studie aantoont, kan werken met standaard startmonsters, soms zelfs poeders die van de zijkant van een beker worden geschraapt.

"We hebben de laagste wenkbrauwmonsters genomen die je kunt krijgen en hebben de hoogste kwaliteit structuren in nauwelijks tijd verkregen, " zegt Caltech hoogleraar scheikunde Brian Stoltz, wie is co-auteur van de nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Centrale Wetenschap . "Toen ik de resultaten voor het eerst zag, mijn kaak viel op de grond." In eerste instantie uitgebracht op de pre-print server Chemrxiv medio oktober, het artikel is meer dan 35 bekeken, 000 keer.

De reden dat de methode zo goed werkt op monsters met kleine moleculen, is dat hoewel de monsters op eenvoudige poeders lijken, ze bevatten eigenlijk kleine kristallen, elk ongeveer een miljard keer kleiner dan een stofje. Onderzoekers wisten al eerder van deze verborgen microkristallen, maar wisten niet dat ze de moleculaire structuren van de kristallen gemakkelijk konden onthullen met behulp van MicroED. "Ik denk niet dat mensen zich realiseerden hoe vaak deze microkristallen in de poedervormige monsters voorkomen, " zegt Stoltz. "Dit is net sciencefiction. Ik had niet gedacht dat dit tijdens mijn leven zou gebeuren - dat je structuren van poeders zou kunnen zien."

De resultaten hebben implicaties voor chemici die de structuren van kleine moleculen willen bepalen, die worden gedefinieerd als die met een gewicht van minder dan ongeveer 900 dalton. (Een dalton is ongeveer het gewicht van een waterstofatoom.) Deze kleine verbindingen bevatten bepaalde chemicaliën die in de natuur voorkomen, sommige biologische stoffen zoals hormonen, en een aantal therapeutische medicijnen. Mogelijke toepassingen van de MicroED-methodologie voor het vinden van structuren zijn onder meer het ontdekken van geneesmiddelen, misdaad laboratorium analyse, medische testen, en meer. Bijvoorbeeld, Stoltz zegt, de methode kan van nut zijn bij het testen van de nieuwste prestatieverhogende medicijnen bij atleten, waar slechts sporenhoeveelheden van een chemische stof aanwezig kunnen zijn.

"De langzaamste stap bij het maken van nieuwe moleculen is het bepalen van de structuur van het product. Dat is misschien niet meer het geval, aangezien deze techniek een revolutie teweeg zal brengen in de organische chemie, " zegt Robert Grubbs, Victor en Elizabeth Atkins van Caltech, hoogleraar scheikunde en winnaar van de Nobelprijs voor scheikunde in 2005, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De laatste grote doorbraak in structuurbepaling daarvoor was kernmagnetische resonantiespectroscopie, die werd geïntroduceerd door Jack Roberts bij Caltech in de late jaren '60."

Net als andere synthetische chemici, Stoltz en zijn team besteden hun tijd aan het uitzoeken hoe ze in het lab chemicaliën kunnen assembleren uit basis uitgangsmaterialen. Hun laboratorium richt zich op zulke natuurlijke kleine moleculen als de schimmel-afgeleide bèta-lactam familie van verbindingen, die verband houden met penicillines. Om deze chemicaliën te bouwen, ze moeten de structuren van de moleculen in hun reacties bepalen - zowel de tussenliggende moleculen als de eindproducten - om te zien of ze op de goede weg zijn.

Een techniek om dit te doen is röntgenkristallografie, waarin een chemisch monster wordt geraakt met röntgenstralen die zijn atomen afbuigen; het patroon van die diffracterende röntgenstralen onthult de 3D-structuur van de beoogde chemische stof. Vaak, deze methode wordt gebruikt om de structuren van echt grote moleculen op te lossen, zoals complexe membraaneiwitten, maar het kan ook worden toegepast op kleine moleculen. De uitdaging is dat om deze methode uit te voeren een chemicus flinke brokken kristal uit een monster moet maken, wat niet altijd makkelijk is. "Ik heb ooit maanden geprobeerd om de juiste kristallen voor een van mijn monsters te krijgen, ’ zegt Stolts.

Een andere betrouwbare methode is NMR (nucleaire magnetische resonantie), waarvoor geen kristallen nodig zijn, maar wel een relatief grote hoeveelheid van een monster, die moeilijk te vergaren kan zijn. Ook, NMR geeft alleen indirecte structurele informatie.

Voor nu, MicroED - vergelijkbaar met röntgenkristallografie maar gebruikt elektronen in plaats van röntgenstralen - werd voornamelijk gebruikt op gekristalliseerde eiwitten en niet op kleine moleculen. Co-auteur Tamir Gonen, een elektronkristallografie-expert aan de UCLA die begon met het ontwikkelen van de MicroED-techniek voor eiwitten terwijl hij aan het Howard Hughes Medical Institute in Virginia werkte, zei dat hij pas begon na te denken over het gebruik van de methode op kleine moleculen nadat hij naar UCLA was verhuisd en samenwerkte met Caltech.

"Tamir gebruikte deze techniek op eiwitten, en toevallig vermeldde ze dat ze het soms aan het werk kunnen krijgen met alleen poederachtige monsters van eiwitten, " zegt Hosea Nelson (Ph.D. '13), een assistent-professor scheikunde en biochemie aan de UCLA. "Mijn geest werd erdoor overweldigd, dat je geen kristallen hoefde te kweken, en dat is rond de tijd dat het team begon te beseffen dat we deze methode konden toepassen op een hele nieuwe klasse moleculen met verstrekkende implicaties voor alle soorten chemie."

Het team heeft verschillende monsters van verschillende kwaliteiten getest, zonder ooit te proberen ze te kristalliseren, en konden hun structuren bepalen dankzij de overvloedige microkristallen van de monsters. Ze slaagden erin structuren te krijgen voor vermalen monsters van de merkgeneesmiddelen Tylenol en Advil, en ze waren in staat om verschillende structuren te identificeren uit een poedervormig mengsel van vier chemicaliën.

Het UCLA/Caltech-team zegt te hopen dat deze methode in de toekomst routine zal worden in scheikundelaboratoria.

"In onze laboratoria we hebben studenten en postdocs die elke dag totaal nieuwe en unieke moleculaire entiteiten maken, " zegt Stoltz. "Nu hebben we de macht om snel uit te zoeken wat ze zijn. Dit gaat de synthetische chemie veranderen."