Kolhydrater är komplexa molekyler, svårt att syntetisera i labbet, men att göra det är användbart för att studera nyttiga sockerarter som de som finns i bröstmjölk, eller göra det möjligt för forskare att skräddarsy den kemiska strukturen för läkemedelskandidater, vacciner och naturprodukter.

University of Michigan kemister har utvecklat en enkel metod för att syntetisera kolhydrater som utökar utbudet av laboratorier som kan använda syntetisk kemi för att generera och studera nya kolhydratstrukturer. Deras resultat publiceras i Journal of the American Chemical Society .

"Nukleinsyror, proteiner, och kolhydrater är tre av de grundläggande byggstenarna du lär dig om i dina biologiklasser, "sa huvudförfattaren John Montgomery, professor i kemi och medicinsk kemi. "Kemi har kunnat automatisera beredningen av nukleinsyror och proteiner där det är rutin att komma åt dessa strukturer, men kolhydrater är svårare att förbereda. Det finns några otroliga framsteg när det gäller automatisering av kolhydratsyntes, men faktum kvarstår att detta är hård kemi som håller tillbaka framsteg inom glykobiologin. "

Kolhydrater har stor strukturell mångfald, komplexa förgreningsmönster, och 3D-arkitektur som hindrar forskarnas förmåga att syntetisera föreningarna, säger Montgomery. Genom att använda en kiselgrupp för att förkonstruera hur kolhydrater kommer att reagera med varandra, U-M-lagets metod kan kontrollera kolhydratens förgreningsmönster och minska de steg som krävs för att komma åt mer komplexa strukturer.

Till exempel, kolhydratmolekyler består vanligtvis av kol, väte, syre och ibland kväveatomer och längdintervall, med fem- och sexkolsockerarter som är de vanligaste. De flesta kolatomer har en alkoholgrupp, som kan kopplas till nästa kolhydrat i en myriad av möjliga mönster.

"Denna förgreningsfunktion är det som gör syntetisk kemi väldigt tråkigt eftersom du måste kontrollera selektiviteten mellan vilken del av molekylen som kommer att reagera med nästa, "Sa Montgomery.

För att kontrollera hur dessa alkoholgrupper klickar ihop kolhydrater, Montgomery och hans team lägger kisel "skyddande grupper" på utvalda alkoholer i ett kolhydrat.

"Normalt måste skyddsgrupper tas av och på under syntesen, lägga till tid och kostnad för proceduren. Vår strategi är utformad så att skyddsgruppen naturligt faller av under kopplingsreaktionen och gånger sekvensen av vilken alkoholgrupp reagerar när så önskas, "Sa Montgomery." Genom detta tillvägagångssätt, vi kan vända reaktiviteten för två alkoholer, eller så kan vi ta två alkoholer som normalt skulle ha liknande reaktivitet och få en att reagera selektivt över den andra utan ytterligare steg. "

Sedan, forskarna kan styra kolhydratens stereokemi-kolhydratmolekylens tredimensionella arrangemang-genom att göra reaktioner mellan kolhydrater antingen intermolekylära eller intramolekylära. Om reaktionen är intermolekylär, det betyder att reaktionen sker mellan två olika molekyler. Om reaktionen är intramolekylär, det betyder att en enda molekyl är sammansatt där de två sockerarterna är anslutna genom kisel före reaktionen.

Både förgreningsmönstret och stereokemin för kolhydraterna påverkar sockrets totala tredimensionella arkitektur, men denna strukturella aspekt innebär också svårigheter att syntetisera sockret.

Eftersom sockermolekyler är så komplexa, det finns ett "enormt antal statistiskt möjliga kombinationer om du hade fem sockerarter, till exempel, "Sa Montgomery." Antalet kan vara i miljarder kombinationer även för dessa relativt korta kolhydratkedjor. Den mångfalden är det som gör kolhydrater så speciella för molekylärt erkännande i naturen, men det gör också syntesen extremt tuff. "

Teamets metod är särskilt användbar eftersom användningen av kiselkontrollfunktionen gör det möjligt för forskarna att minska antalet separata reaktioner för att göra en kedja av kolhydrater i ett enda steg. I detta tillvägagångssätt, kiselkontrollelementet tillåter att reaktionerna sker med tre olika sockerarter i rätt sekvens så att en trisackarid kan syntetiseras i ett syntetiskt steg. Dessa små grupper kan sedan anslutas ytterligare för att komma åt mer komplexa kedjor på ett mycket snabbt sätt.

"Du kan ställa in flera reaktiva möjligheter och få dem att kaskadera i rätt ordning, "Sa Montgomery." Saker som du normalt skulle köra i en rad separerade reaktioner - vi kan använda det kiselkontrollelementet för att i princip få allt att hända i reaktionskolven på en gång. Vi förbättrar fortfarande denna aspekt med nya katalysatorstrukturer, men jag tror att strategin har potential att vara mycket kraftfull. "

Beräkningssamarbetare Paul Zimmerman, medförfattare till studien och professor i kemi, ger insikter om hur processen fungerar och hur den kan förbättras.

Till sist, traditionella metoder för att koppla ihop kolhydrater är mycket vattenkänsliga och temperaturkänsliga. U-M-teamets metod använder kommersiella reagenser som kan användas utan rening eller torkning för att framkalla kemiska reaktioner, och utförde alla dess procedurer vid rumstemperatur.

Montgomery forskning stöddes av National Institutes of Health Common Fund's Glycoscience -program. Den gemensamma fonden inrättades för att ge tvärvetenskapligt fokus på vetenskapliga utmaningar inom biomedicinsk forskning. Montgomery och UM har lämnat in en provisorisk patentansökan på detta arbete.