Riktade cancerläkemedel fungerar genom att skapa ett tätt band mellan cancerceller och specifika molekylära mål som är involverade i tillväxt och spridning av cancer. Detaljerade bilder av sådana kemiska bindningsställen eller vägar kan ge nyckelinformation som är nödvändig för att maximera effekten av onkogenbehandlingar. Dock, atomrörelser i en molekyl har aldrig fångats mitt i handlingen, inte ens för en extremt enkel molekyl som en triatomisk molekyl, består av endast tre atomer.

En forskargrupp ledd av Ihee Hyotcherl från Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) (professor, Institutionen för kemi, KAIST), i samarbete med forskare vid Institutet för materialstrukturvetenskap vid KEK (KEK IMSS, Japan), RIKEN (Japan) och Pohang Accelerator Laboratory (PAL, Sydkorea), rapporterade den direkta observationen av födelsemomentet för kemiska bindningar genom att spåra atompositioner i realtid i molekylen.

"Vi lyckades äntligen fånga den pågående reaktionsprocessen av den kemiska bindningsbildningen i guldtrimeren. Bilderna med femtosekundupplösning avslöjade att sådana molekylära händelser ägde rum i två separata steg, inte samtidigt som tidigare antagits, " säger Associate Director Ihee Hyotcherl, motsvarande författare till studien. "Atomerna i guldtrimerkomplexet förblir i rörelse även efter att den kemiska bindningen är klar. Avståndet mellan atomerna ökade och minskade periodvis, uppvisar den molekylära vibrationen. Dessa visualiserade molekylära vibrationer gjorde det möjligt för oss att namnge den karakteristiska rörelsen för varje observerad vibrationsmod, " tillägger Ihee.

Atomer rör sig extremt snabbt på en skala av femtosekund (fs) - kvadrilliondelar av en sekund. Rörelsen är minut på nivån av ångström, lika med en tiomiljarddels meter. De är särskilt svårfångade under övergångstillståndet där reaktionsintermediärer snabbt övergår från reaktanter till produkter. Forskargruppen gjorde denna experimentellt utmanande uppgift möjlig genom att använda femtosekund röntgenlikvidografi (lösningsspridning).

Denna experimentella teknik kombinerar laserfotolys och tekniker för röntgenspridning. När en laserpuls träffar provet, Röntgenstrålar sprids och initierar den kemiska bindningsreaktionen i guldtrimerkomplexet. Femtosekundsröntgenpulser erhållna från en speciell ljuskälla som kallas en röntgenfri elektronlaser (XFEL) användes för att undersöka den bindningsbildande processen. Experimenten utfördes vid två XFEL-anläggningar (4:e generationens linjäraccelerator), PAL-XFEL i Sydkorea och SACLA i Japan, och denna studie genomfördes i samarbete med forskare från KEK IMSS, Pohang Accelerator Laboratory (PAL), RIKEN, och Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI).

Spridda vågor från varje atom interfererar med varandra och därför kännetecknas deras röntgenspridningsbilder av specifika färdriktningar. IBS forskarteam spårade realtidspositioner för de tre guldatomerna över tid genom att analysera röntgenspridningsbilder, som bestäms av en tredimensionell struktur hos en molekyl. Strukturella förändringar i molekylkomplexet resulterade i flera karakteristiska spridningsbilder över tiden. När en molekyl exciteras av en laserpuls, flera vibrationskvanttillstånd exciteras samtidigt. Överlagringen av flera exciterade vibrationskvanttillstånd kallas ett vågpaket. Forskarna spårade vågpaketet i tredimensionella nukleära koordinater och fann att den första halva omgången av kemisk bindning bildades inom 35 fs efter fotoexcitation. Den andra halvan av reaktionen följde inom 360 fs för att fullborda hela reaktionsdynamiken.

Forskarna illustrerade också exakt molekylära vibrationsrörelser i både temporärt och spatialt. Detta är en ganska anmärkningsvärd bedrift med tanke på att en sådan ultrasnabb hastighet och en minuts rörelselängd är mycket utmanande förutsättningar för att skaffa exakta experimentella data.

I den här studien, IBS forskarteam förbättrade sin studie från 2015 publicerad av Natur . I den tidigare studien 2015, hastigheten på röntgenkameran (tidsupplösning) var begränsad till 500 fs, och den molekylära strukturen hade redan ändrats till att vara linjär med två kemiska bindningar inom 500 fs. (Figur 2, uppe till höger) I denna studie, framstegen för bindningsbildningen och böjd till linjär strukturell transformation kunde observeras i realtid, tack vare förbättringens tidsupplösning ner till 100 fs. Vari, den asynkrona bindningsbildningsmekanismen där två kemiska bindningar bildas i 35 fs och 360 fs, respektive, och den böjda-till-linjära transformationen slutförd i 335 fs visualiserades (Figur 2, nedre höger). Kortfattat, förutom att observera början och slutet av kemiska reaktioner, de rapporterade varje steg av intermediären, pågående omarrangemang av kärntekniska konfigurationer med dramatiskt förbättrade experimentella och analytiska metoder.

Forskargruppen kommer att driva denna metod för "realtidsspårning av atompositioner i en molekyl och molekylär vibration med femtosekundsröntgenspridning" för att avslöja mekanismerna för organiska och oorganiska katalytiska reaktioner och reaktioner som involverar proteiner i människokroppen. "Genom att direkt spåra de molekylära vibrationerna och realtidspositionerna för alla atomer i en molekyl mitt i reaktionen, vi kommer att kunna avslöja mekanismer för olika okända organiska och oorganiska katalytiska reaktioner och biokemiska reaktioner, " säger Dr KIM Jong Goo, studiens första författare.

Studien publiceras i Natur .