Crenarchaeol är en stor, sluten lipid som finns i membranen av ammoniumoxiderande arkaea, en encellig livsform som finns allestädes närvarande i haven. I jämförelse med andra arkeala membranlipider, crenarchaeol är mycket komplex och, än så länge, försök att bekräfta dess struktur genom att syntetisera hela molekylen har misslyckats. Organiska kemister från universitetet i Groningen har antagit denna utmaning och upptäckt att den föreslagna strukturen för molekylen till stor del var, men inte helt, korrekt.

Crenarchaeol innehåller 86 kolatomer och är en makrocykel, en stor sluten slinga. Inte mindre än 22 positioner i molekylen är kirala. Molekylen kan finnas i två former som är varandras spegelbilder, som en vänster och en höger hand. I krenarkeolmolekylen, alla 22 kirala centra har sin egen specifika "handedness". Vidare, crenarchaeol innehåller en mycket ovanlig cyklohexangrupp.

Utmaning

Denna komplexa molekyl isolerades först 2002 av Jaap Sinninghe Damsté och kollegor vid Royal Netherlands Institute for Sea Research, NIOZ. De identifierade dess struktur med hjälp av spektroskopiska tekniker men deras resultat har aldrig bekräftats. Detta är förvånande eftersom ammoniumoxiderande arkéer spelar en nyckelroll i den oceaniska kvävecykeln och fossila krenarkeoler och dess följeslagare används i stor utsträckning av molekylära paleontologer för att rekonstruera tidigare havstemperaturer. "Strukturen av crenarchaeol är en formidabel utmaning för syntetisk organisk kemi, säger Adri Minnaard, Professor i organisk kemi vid universitetet i Groningen. "Och vi bestämde oss för att ta upp det."

Först, 3 milligram av den naturliga föreningen isolerades och renades vid NIOZ, vilket tog cirka tre månader. Det finns bara små mängder krenarkeol i varje cell, bara 0,000000001 gram, men eftersom det finns så många av dessa celler i världshaven och eftersom molekylen är mycket stabil och har ackumulerats i sedimentet i miljontals år, det tros vara en av de mest förekommande organiska molekylerna i marina sediment.

Mount Everest

Det finns flera problem med att syntetisera krenarkeol; att få alla kirala centra i rätt orientering är ett av dem. "Och molekylen innehåller många kol-kolbindningar, som är svåra att konstruera." Men det är en utmaning som en syntetisk organisk kemist inte kan motstå - precis som en ambitiös bergsbestigare inte kan motstå Mount Everest. Minnaard visade strukturen för sin doktorand Mira Holzheimer, som arbetade med palladiumkatalyserade syntetiska reaktioner. "Hennes bokstavliga svar var:'Jag vill bestiga det berget'." De gjorde en attackplan på papper, vilket innebar att man tog isär molekylen till de byggstenar som kunde syntetiseras. Detta gav en preliminär väg mot syntesen av kompletta krenarkeolmolekyler, som Holzheimer utforskade.

Precis som att bestiga ett berg för första gången, den syntetiska vägen som de designade i början ledde ibland till en återvändsgränd. Det innebar att man måste följa dessa steg igen och prova ett nytt tillvägagångssätt. "Du börjar med flera gram av de grundläggande föreningarna. Men i vart och ett av de mer än 65 mellanstegen, du förlorar material, ibland upp till 50 procent. Och om du får slut på mellanprodukter, du måste gå hela vägen tillbaka igen, " förklarar Minnaard.

Chock

Efter tre års hårt arbete, Holzheimer hade producerat en stor del av molekylen, ungefär hälften av makrocykeln. Minnaard:"I det skedet, vi bestämde oss för att kontrollera det mot motsvarande del av naturlig krenarkeol." Detta gjordes med hjälp av kopplad gaskromatografi-masspektrometri. Jämförelsen gjordes på NIOZ och resultaten kom som en chock. "Vi syntetiserade det korrekta kolskelettet, men det kromatografiska beteendet var inte detsamma som för naturlig krenarkeol. Någonting var fel, Minnaard minns.

Efter två dagars kontroll, Minnaard och Holzheimer drog slutsatsen att de verkligen hade gjort den föreslagna strukturen. Och eftersom det inte matchade helt med naturlig krenarkeol, detta kunde bara betyda en sak:den föreslagna strukturen var inte helt korrekt. Resultaten pekade mot ett av de kirala centran i den ovanliga cyklohexangruppen. "Våra samarbetspartners på NIOZ felaktigt tilldelade bara ett kiralt center av 22." Strukturkorrigeringen stöddes ytterligare av beräkningar på spektra av både naturlig och preparerad krenarkeol, som utfördes av Prof. Remco Havenith och Dr. Ana Da Cunha. Minnaard. "Detta visar värdet av syntetisk kemi:att bygga en föreslagen struktur är guldstandarden för validering."

Konst

En sådan komplex konstruktion som med crenarchaeol ger några ytterligare lönsamhet:"Vi var tvungna att utveckla nya syntetiska verktyg, som nu läggs till den organiska syntesverktygslådan." Dessutom, att ha rätt struktur är relevant för forskare som studerar arkeala membran. Detta görs vanligtvis genom simulering av molekylär dynamik, förklarar Minnaard, och den helt korrekta strukturen är nu tillgänglig. Ändå är denna utdelning inte den största motivationen för Minnaard att ta sig an dessa projekt. "Det behöver inte alltid ha ett syfte. För mig, att bygga molekyler kan vara konst."