Ett nytt sätt att förutsäga resultatet av reaktioner kan leda till snabbare upptäckt av nya material inklusive för avkänning, katalys, och läkemedelstillförsel.

Enzymer utför viktiga kemiska och biologiska processer genom att ta biomolekyler i hålrum inom sina strukturer och underlätta viktiga reaktioner. Kemister har försökt efterlikna detta med "molekylära burar" - kemiska strukturer som innehåller håligheter som kan binda mindre molekyler inuti, kallas "gäster".

Dessa molekylära burar har potential att fungera som artificiella enzymhärmare och har visat sig accelerera viktiga reaktioner som hydrolys av amidbindningar, nedbrytning av toxiner och en rad kemiska omvandlingar. Att förbättra dessa reaktioner kan en dag driva utvecklingen av ny teknik inom områden som kemisk avkänning.

Dock, det kan vara svårt för forskare att designa strukturer som kommer att vara användbara och framgångsrika syntetiserade i labbet. Nu, forskare från Institutionen för kemi vid Imperial College London har använt ett datordrivet tillvägagångssätt för att förutsäga resultaten av burbyggande reaktioner med hög precision.

Detta kommer att hjälpa kemister att välja de idealiska byggstenarna för att förbereda burar med önskvärda strukturer och egenskaper innan de försöker syntetisera dem i labbet, minimera misslyckade experiment. Studien publiceras idag i Angewandte Chemie International Edition .

Nya byggstenar

För närvarande, för att förenkla deras syntes, de flesta burar och deras håligheter är mycket symmetriska. Dock, detta begränsar utformningen av burar för potentiella gästmolekyler. Detta står i kontrast till naturliga enzymers förmåga att vara mycket selektiva där molekyler kan binda med dem.

Forskare vid Imperial utvecklar sätt att montera burar med lägre symmetri, tillåter mer gästspecifika kavitetsformer, genom att använda mer komplexa komponenter i sin konstruktion. Genom att använda osymmetriska byggstenar, "wonky" burar med intressanta kavitetsformer kan skapas.

Dock, osymmetriska byggstenar är svårare att skapa eftersom resultatet av de "självmonterande" reaktionerna som behövs för att konstruera dem är svårare att förutse. Misslyckade reaktioner kan resultera i bildandet av en oönskad molekyl, eller till och med en blandning av produkter, snarare än den enda målstrukturen.

Allt detta innebär att bygga nya burar kan vara en tidskrävande och kostsam prova-och-fel-process, med mycket bortkastad ansträngning.

Den nya metoden analyserar istället beräkningsmodeller av potentiella burar för att göra förutsägelser om deras självmontering. Förutsägelserna använder energin och geometrin i de beräkningsmässigt konstruerade burarna och är bra vägledningar för om en självmonteringsprocess kommer att leda till en enda struktur. Denna information kan sedan användas för att välja målburmolekyler att förbereda i laboratoriet.

Studiens medförfattare Dr Jamie Lewis, från Institutionen för kemi vid Imperial, sa att "tidigare, vi har bara behövt gå in i labbet och prova massor av saker tills något fungerade. Nu kan vi köra några snabba beräkningar, identifiera burar med egenskaper som är användbara, och vara säker på att vi kan syntetisera dem utan problem."

Förutsägelsekraft

Teamet använde programvara som heter stk, tidigare utvecklad på Imperial, att bygga beräkningsmodellerna. Förutom att ha stor förutsägelsekraft, beräkningarna är också mycket snabba, tar bara några timmar på en vanlig stationär PC.

Huvudförfattare till studien Dr Andrew Tarzia, från Institutionen för kemi vid Imperial, sa att "effektiviteten i vårt tillvägagångssätt är nyckeln eftersom det tillåter oss att testa många fler byggstenar på en dator på en vecka än vad som kunde testas i laboratoriet och med mer mångfald också."

Baserat på beräkningsdata, teamet valde ut ett antal byggstenar att syntetisera i labbet. De fann att tillvägagångssättet framgångsrikt förutspådde de experimentella resultaten av självmonteringsprocessen.

Detta gjorde det möjligt för dem att förbereda flera nya lågsymmetriska "wonky burar" som aldrig hade syntetiserats tidigare, och verifierade användbarheten av beräkningarna för att förutsäga vilka molekyler som skulle bildas.

Teamet fortsätter nu att utveckla och förbättra denna metod för beräkningsinformerad, effektiv syntes för att komma åt nya molekylära burar. Med förmågan att snabbt förutsäga vilka burar som lätt kan förberedas i labbet, de hoppas kunna använda detta för att göra nya material med ett brett spektrum av tillämpningar för avkänning, katalys, gaslagring och läkemedelstillförsel.