Tým University of Vídeň vyvíjí metodu měření molekulárních nábojů

Mezinárodní výzkumný tým vedený University of Vídně se podařilo vyvinout novou metodu k přímému měření částečných poplatků v molekulách. Výsledky, nyní publikované v PřírodaPoskytněte nové poznatky o molekulárních interakcích a nabízejí potenciální aplikace ve vývoji léčiv a vědy o materiálech.

Elektrostatické síly – atraktivní nebo odpudivé interakce mezi atomy nebo molekulami – leží v srdci všech molekulárních interakcí: jsou zásadní pro to, jak se molekuly sestavují, vyrovnávají a reagují na sebe. V chemii jsou tyto síly popsány z hlediska částečných nábojů: drobné nerovnováhy v tom, jak jsou elektrony distribuovány v molekule.

Tyto jemné směny se řídí, jak molekuly interagují mezi sebou a jejich okolí. Jsou klíčem k pochopení chemické reaktivity, biologické funkce a materiálového chování. Například v medicíně ovlivňují částečné náboje, jak se léky absorbují, distribuují a metabolizují – a mohou utvářet jak jejich terapeutické účinky, tak potenciální vedlejší účinky. Přesto navzdory jejich významu zůstaly částečné poplatky čistě teoretické: dosud neexistoval způsob, jak je přímo měřit.

Průlom při měření molekulárních nábojů

Výzkumný tým vedený Timem Grünem, vedoucím hlavního zařízení pro analýzu struktury krystalové struktury, a Christian Schröder z Katedry výpočetní biologické chemie na Vídeňské univerzitě, nyní vyvinul metodu, která umožňuje experimentálně stanovit částečné poplatky.

Použili jsme techniku ​​zvanou elektronová difrakce. Zahrnuje nasměrování jemného paprsku elektronů v malém krystalu. Protože jsou nabité elektrony, jsou citlivé na elektrostatický potenciál v krystalu a tedy na částečné náboje atomů. Výsledné drobné výchylky v paprsku byly zaznamenány pomocí nového fotoaparátu vyvinutého v Institutu Paula Scherrera ve Švýcarsku. “

Tim Grüne, hlava, hlavní zařízení pro analýzu krystalové struktury, Katedra výpočetní biologické chemie, University of Vídeň

Tým kombinoval difrakční data s novou analytickou metodou nazývanou modelováním faktoru iontového rozptylu (ISFAC). V tomto přístupu je každý atom molekuly modelován současně jako neutrální a jako nabitý druh. Porovnáním modelu s experimentálními údaji byli vědci schopni kvantifikovat částečný náboj každého atomu.

„Až dosud byly částečné poplatky odhadnuty pomocí výpočetních metod,“ říká Christian Schröder. „Některé z těchto atomových poplatků přizpůsobují reprodukci molekulárního elektrostatického potenciálu, což má za následek tzv. Poplatky odvozené od elektrostatického potenciálu (ESP náboje). Jiné rozdělení elektronové hustoty samotné mezi atomy. Zatímco široce používané v molekulárním modelování, může tyto metody přinést různé hodnoty.

Široká použitelnost napříč molekulárními typy

Pro demonstraci široké použitelnosti jejich metody vědci zkoumali rozmanitou sadu krystalických sloučenin-včetně průmyslového katalyzátoru ZSM-5, aminokyseliny tyrosin a histidinu, kyseliny vinné z rakouského vína a široce používaného antibiotického ciprofloxacinu. U ciprofloxacinu, který se objevuje na seznamu základních léčivých přípravků Světové zdravotnické organizace a běžně se podává jako hydrochloridová sůl, analýza ukázala, že chloridový ion (CL⁻), nese pouze asi 40 procent plného záporného náboje. To ukazuje, jak silně může prostředí molekuly ovlivnit místní rozdělení náboje.

Potenciál pro léčiva a design materiálů

Hlavní zařízení pro analýzu struktury krystalové struktury na University of Vídeň v posledních letech hrálo klíčovou roli při rozvíjení elektronové krystalografie. S tímto posledním průlomem se tato technika pohybuje nad rámec určování atomových pozic, aby experimentálně odhalila elektronické vlastnosti. Schopnost měřit částečné náboje otevírá nové možnosti pro navrhování léčiv s větší specificitou a méně vedlejšími účinky, jakož i funkční materiály s přesně vyladěnými vlastnostmi.