Forskare tar ögonblicksbilder av kemiska reaktioner på en biljondels sekund i hopp om att utveckla nästa generation av antibiotika och antivirala läkemedel.

Med hjälp av toppmodern laserteknologi, forskare vid Cardiff University och Rosalind Franklin Institute skapar 'freeze frame films' av kemiska reaktioner, med en huvudroll för ett specifikt enzym som kan användas för att göra nya läkemedel som är aktiva mot virus, som COVID-19.

Tekniken gör det möjligt för laget att observera kemin som sker inom ett enzym under mycket korta tidsperioder, vilket gör det möjligt för forskare att få en förståelse för hur proteinstruktur möjliggör den kemiska reaktionen.

Denna information kommer att vara avgörande för teamets ansträngningar att omforma enzymet så att det kan användas för att snabbt och effektivt producera föreningar med antivirala egenskaper.

För att uppnå detta, de utnyttjar de kraftfulla funktionerna hos en röntgenfri elektronlaser (XFEL) i Hamburg, Tyskland.

XFEL kan användas för att få bilder av enzymreaktioner i kristaller genom att avge röntgenpulser som varar en femtosekund-en kvadriljarddel av en sekund. Det tar cirka 10 femtosekunder att binda mellan enskilda atomer under kemiska reaktioner, vilket innebär att XFEL ska kunna ta ögonblicksbilder av strukturer när de tar form inom enzymet.

Att göra detta till verklighet, dock, är en tekniskt krävande bedrift som inte har rapporterats för klassen av enzymer som studeras av teamet.

Teamet kommer att ägna särskild uppmärksamhet åt ett enzym som finns i Streptomyces, bakterier som vanligtvis lever i mark och i sönderfallande vegetation och som ansvarar för produktionen av över två tredjedelar av de kliniskt användbara antibiotika som finns i naturen.

Detta enzym underlättar konstruktionen av en bindning mellan två kolatomer, en reaktion som forskarna beskrev som "livets kemi vid dess mest grundläggande".

Att förstå denna kol-kolbindningsbildande reaktion är viktigt eftersom den finns i C-nukleosider-en särskild klass av molekyler som är extremt lovande kandidater för framtida antivirala läkemedel. Ett exempel på en C-nukleosid är remdesivir, utvecklat av Gilead Sciences, Inc., som för närvarande prövas runt om i världen som en potentiell behandling för COVID-19.

"Vi skapar i huvudsak en frysramfilm av kemi i aktion, "sa projektledare-utredaren professor Nigel Richards från Cardiff University's School of Chemistry." Kemiska bindningar bildas och bryts på mycket kort tid, alldeles för snabbt för att ses med andra tekniker. Den nya XFEL -tekniken erbjuder en lösning på detta problem för enzymkatalyserade kemiska reaktioner. "

"Denna toppmoderna teknik gör att vi kan studera biokemiskt viktiga reaktioner som vi aldrig har kunnat förut, öppnar en rad nya möjligheter för upptäckt och utveckling av läkemedel.

"Våra banbrytande experiment kommer sannolikt att förändra hur vi tänker om kemiska reaktioner som äger rum inuti enzymer-en stor utmaning för kemi, biokemi och biologi. Detta kommer i sin tur att göra det möjligt för oss att konstruera bibliotek med liknande enzymer som kan användas för att göra potentiella antibiotika och antivirala föreningar, underlätta processen för upptäckt av läkemedel. "

"C-nukleosider är framtidens molekyler vid upptäckt av läkemedel, "fortsatte professor Richards." Dessa föreningar används redan i stor utsträckning i naturen för att döda bakterier och virus. "

"Att kunna använda ett enzym för att göra den viktigaste kol-kolbindningen för C-nukleosider i laboratoriet gör att vi kan bygga en mängd nya föreningar som kan utvärderas som potentiella läkemedel, " han sa.