Forskare vid Molecular Photonics -gruppen vid Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences vid University of Amsterdam har avsevärt förbättrat den experimentella bestämningen av kiralitet eller "handsness" av molekyler med hjälp av vibrationscirkulär dikroism (VCD) spektroskopi. Genom att använda en genetisk algoritm de kunde "tämja" osäkerheterna i VCD -analys som härrör från att flexibla molekyler kan anta många strukturella konformationer. Deras förbättring kan göra att VCD tillämpas i stor skala, till exempel som ett verktyg för hög genomströmning av farmaceutiska föreningar eller realtidsövervakning av (bio) kemiska processer.

Teamet under ledning av professor Wybren Jan Buma publicerar sin nya VCD -metod i 7 september -numret av Kemisk vetenskap , flaggskeppstidskriften för Royal Society of Chemistry.

Enligt den första författaren Ph.D. student Mark Koenis, "Det är nu möjligt att bestämma molekylernas skicklighet mycket mer pålitligt och med bättre kvantitativa mått än tidigare."

I deras papper, Buma och medarbetare demonstrerar sitt nya tillvägagångssätt, bland andra, genom studier på citronellal. Det är ett typiskt exempel på klassen av molekyler som hittills har ställt utmaningar - ofta oöverstigliga - för VCD -analys. Det är kiralt, vilket betyder att den kan existera som två molekylära strukturer som är icke-överlagliga spegelbilder av varandra-precis som en högra hand och en vänster hand. Det är också en mycket flexibel och dynamisk molekyl som kan anta många olika rumsliga strukturer, kallas konformationer.

Rumslig variation förvirrar chiralitetsbestämning

Att vara kiral, citronellal representerar en klass av molekyler av stor biokemisk och farmaceutisk relevans. Eftersom många biologiska molekyler (proteiner, enzymer, receptorer, och så vidare) är kirala, "handligheten" hos kirala molekyler bestämmer deras biologiska interaktioner. När det gäller citronellal, dess kirala spegelstrukturer (kallade enantiomerer) skiljer sig i interaktion med luktreceptorer så att "vänsterhänt" molekyl luktar apelsiner och dess "högerhänta" motsvarighet till citroner. I många andra molekyler, effekten av kiralitet kan vara mycket mer dramatisk. I farmaceutiska tillämpningar, till exempel, en enantiomer av ett läkemedel kan ha en fördelaktig terapeutisk effekt, medan den andra har skadliga biologiska konsekvenser.

Att vara flexibel och dynamisk, citronellal illustrerar utmaningarna med kiralitetsbestämning med hjälp av VCD -spektroskopi. VCD använder sig av cirkulärt polariserat ljus som i själva verket visar en "handsness" i skillnaden mellan vänster och höger cirkulär polarisering. Således, det gör det möjligt att skilja mellan vänster- och högerhänta molekyler. Den sofistikerade tekniken ger ett spektroskopiskt fingeravtryck som är unikt för varje molekyl och till och med för varje spegelbild av samma molekyl. Faktiskt, för alla praktiska ändamål, VCD är den enda tekniken som kan skilja mellan enantiomerer under verkliga förhållanden.

Haken, dock, är det, precis som citronellal, många molekyler är flexibla och dynamiska, anta många olika rumsliga strukturer. Varje struktur har sitt eget fingeravtryck så att ett verkligt VCD -spektrum är summan av alla fingeravtryck av alla rumsliga molekylära varianter som finns i provet. Lägg till detta, stabilare, lågenergi-varianter kommer att vara mer närvarande än högre-energi så att inte alla varianter bidrar lika till VCD-spektrumet. Den strukturella friheten utgör alltså ett allvarligt problem för att bestämma kiralitet i dessa fall.

Genetisk algoritm

Den vanliga lösningen i VCD -analys är att bestämma alla möjliga konformationer av molekylen som undersöks, beräkna deras energier och motsvarande fingeravtryck, och genomsnitt sedan dessa individuella komponenter och jämför det resulterande spektrumet med det experimentella VCD -spektrumet.

Detta är, dock, mycket mindre tydligt än det kan visas. Många metoder finns tillgängliga för beräkning av energier i de olika rumsliga strukturerna, från mycket enkelt till mycket avancerat. Enligt Buma, "i värsta fall, det kan vara att en typ av beräkning skulle leda till slutsatsen att molekylen har en särskild typ av handsness, medan en annan typ av beräkning skulle leda till motsatt slutsats. "

Hans team har nu förbättrat strategin "beräkna och jämföra" avsevärt genom att uttryckligen ta hänsyn till osäkerheten i de beräknade energierna. Med hjälp av en genetisk algoritm som använder evolutionens principer och "överlevnad för de starkaste" kunde de justera de olika fingeravtryckens bidrag på ett sådant sätt att den bästa överensstämmelsen med det experimentella VCD -spektrumet uppnåddes. "Det fina med vårt tillvägagångssätt är att den rätta handenheten alltid leder till bättre överensstämmelse med de experimentella uppgifterna än den motsatta, "säger Koenis." Ännu viktigare, det gör det möjligt för oss att presentera ett kvantitativt mått på tillförlitligheten för VCD -uppdraget. "

Ökande möjligheter för ansökan

Den genetiska algoritmen testades inte bara på citronellal utan också på dehydrokinidin, en kiral molekyl som representerar ett värsta fall eftersom det visar stora dynamiska strukturförändringar.

Dessutom, VCD -spektrumet för dehydrokinidin är experimentellt mycket svårare att få och det tillgängliga spektrumet är därför av en mycket lägre kvalitet än vad som normalt siktas efter. Resultaten visar att även för sådana svåra molekyler är det nya tillvägagångssättet överlägset överlägset alla existerande metoder för absolut konfigurationstilldelning.

Forskarna förväntar sig att deras förbättring av tillförlitligheten hos VCD som ett analysverktyg kommer att ge applikationer inom räckhåll, såsom kvalitetskontroll vid tillverkning av farmaceutiska ingredienser. De har redan utfört studier för att bestämma nivåer av kirala föroreningar med hjälp av VCD. "Vi har också visat att notoriskt svåra problem som molekyler med många kirala centra kan hanteras, "säger Buma. Med tanke på att VCD är experimentellt enklare och kostnadseffektivare än andra tekniker, han förutser ökande möjligheter att tillämpa tekniken både inom utveckling och storskalig produktion av kirala molekyler.