Michael Martynowycz, en postdoktor i Tamir Gonens labb, kyler ett prov med flytande kväve som förberedelse för ett MicroED-experiment som kommer att avslöja provets molekylära struktur. Kredit:Tamir Gonen
Arbete som tidigare kunde ha tagit kemister månader kan nu göras på några minuter.
Med hjälp av en teknik som kallas mikrokristallelektrondiffraktion, eller MicroED, forskare behöver bara 30 minuter och en minimal mängd prov för att identifiera små molekyler och bestämma deras strukturer. En sådan enkel tillgång till mycket detaljerad information kan revolutionera hur kemister, rättsmedicinska forskare, och de som är involverade i läkemedelsupptäcktsarbete, säger Howard Hughes Medical Institute (HHMI) utredare Tamir Gonen.
Tekniken använder ett standardkryo-elektronmikroskop och kan bli forskarnas go-to-procedur för att identifiera allt från produkter av rutinmässiga kemiska reaktioner till okända pulver på brottsplatser, han säger. "Nu kan kemister faktiskt ta pulver direkt från en reaktion, applicera dem på ett provrutnät, och få högupplösta molekylära strukturer samma dag."
Gonens team publicerade strukturerna för 11 små molekyler, bestämt av MicroED, 2 november, 2018 i tidningen ACS Central Science . Uppsatsen bygger på arbete med små molekyler som forskarna publicerade tidigare i år och visar omfattningen av MicroED-teknik, säger Gonen.
Gonens labb använde MicroED för att snabbt få strukturen av pulveriserat progesteron. Först, de placerade finmalet progesteron (vänster) på ett provgaller. Små kristaller kan ses i en förstorad bild av rutnätet (mitten till vänster). Elektronstrålar sprider sig mot kristallerna, skapa diffraktionsmönster (mitten höger). Databehandling avslöjar en mycket detaljerad struktur (höger). Kredit:C.G. Jones et al./ ACS Central Science 2018
Från puder till struktur
Gonens idé för det aktuella projektet kom under lunch med UCLA-kemist Hosea Nelson. Gonen sa till honom att i den inledande utvecklingen av MicroED, hans labb hade bestämt strukturen hos en liten organisk molekyl. Nelson, vars arbete som kemist kretsar kring små molekyler, "Kunde inte tro mig när jag sa till honom att det var ganska okomplicerat, " säger Gonen. Så de två slog sig ihop och bestämde sig för att se hur allmänt användbar MicroED var för kemi och för att varna kemigemenskapen om denna teknik.
Börjar med en burk med progesteronpulver, de krossade en liten mängd och placerade den på ett provgaller. Sedan, de kylde det till -196 grader Celsius, överförde det till ett kryo-elektronmikroskop, och började samla in data. Det gick mindre än 30 minuter från att burken öppnades tills att man såg progesteronets struktur, säger Gonen. Hans team testade ytterligare åtta kommersiella pulver och fick liknande resultat, även efter att ha blandat flera av dem.
Att veta att pulvren förmodligen alla hade kristalliserats under tillverkningen, teamet ville testa föreningar som istället var nysyntetiserade, och inte kristalliserat av forskare. De blandade fyra av dessa föreningar, separerade dem via en gemensam reningsteknik, och analyserade dem av MicroED. Tekniken producerade strukturer för två av de fyra föreningarna, som hade bildat kristaller spontant. Gonen tror att de andra två kunde ha fungerat om teamet försökt kristallisera dem först.
Gonen ser inte att röntgenkristallografi eller andra strukturidentifieringsmetoder försvinner snart. Vissa prover kommer att vara mer mottagliga för en metod än en annan, och informationen som varje metod ger varierar på användbara sätt, han säger. Men nu, den naturliga förmågan hos små molekyler att bilda kristaller kan utnyttjas av kemister på ett sätt som tidigare inte var möjligt.
"Det här är ett perfekt exempel på vad som händer när två fält som normalt inte pratar med varandra möts och korspollinerar, säger Gonen.
