PEG-PDI, som innehåller en förening som länge använts som ett rött färgämne, ändras till grönblått med tillsats av kaliumsuperoxid eftersom det omvandlar superoxiden till dioxygen. Att lägga till ytterligare släcker den reaktiva syrespecies superoxid, gör lösningen lila. Tillsats av väteperoxid i det sista steget klarnar vätskan, visar att en uppbyggnad av överskott av väteperoxid kan deaktivera strukturen. PEG-PDI, skapad vid Rice University, visar potential som en biologisk antioxidant. Kredit:Tour Group/Rice University
Behandlade partiklar av grafen som härrör från kolnanorör har visat en anmärkningsvärd potential som livräddande antioxidanter, men så små de är, något ännu mindre måste skapas för att ta reda på varför de fungerar så bra.
Forskare vid Rice University, McGovern Medical School vid University of Texas Health Science Center i Houston (UTHealth) och Baylor College of Medicine skapade enkelmolekylära föreningar som också släcker skadliga reaktiva syrearter (ROS) men är mycket lättare att analysera med hjälp av vetenskapliga standardverktyg. Molekylerna kan bli grunden för nya antioxidantterapier i sig.
Forskningen visas i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .
De ursprungliga föreningarna är hydrofila kolkluster funktionaliserade med polyetylenglykol, känd som PEG-HCCs och skapades av Rice och Baylor-forskare för fem år sedan. Partiklarna hjälper till att neutralisera ROS-molekyler som överuttrycks av kroppens celler som svar på en skada innan de skadar celler eller orsakar mutationer.
PEG-HCC visar löfte för behandling av cancer, återstarta blodflödet i hjärnan efter traumatisk skada och kontrollera kroniska sjukdomar.
De nya partiklarna, kallas PEG-PDI, består av polyetylenglykol och perylendiimid, en förening som används som färgämne, färgen i röd billack och i solceller för dess ljusabsorberande egenskaper. Deras förmåga att acceptera elektroner från andra molekyler gör dem funktionellt lika PEG-HCC. De är tillräckligt nära för att fungera som en analog för experiment, enligt Rice kemisten James Tour, som ledde studien med University of Texas biokemist Ah-Lim Tsai.
Forskarna skrev att molekylen inte bara är det första exemplet på en liten molekylär analog av PEG-HCC, men representerar också den första framgångsrika isoleringen av en PDI-radikalanjon som en enkristall, vilket gör att dess struktur kan fångas med röntgenkristallografi.
"Detta tillåter oss att se strukturen hos dessa aktiva partiklar, Tour sa. "Vi kan få en bild av varje atom och avstånden mellan dem, och få mycket information om hur dessa molekyler släcker destruktiva oxidanter i biologisk vävnad.
"Många människor får kristallstrukturer för stabila föreningar, men detta är en övergående mellanprodukt under en katalytisk reaktion, ", sa han. "Att kunna kristallisera en sådan reaktiv mellanprodukt är fantastiskt."
Kristallstrukturen hos PEG-PDI uppnås genom att använda koboltocen som ett reduktionsmedel och utelämna lösningsmedel och väteatomer för klarhetens skull. Kolatomer är grå, kväve är blå, syrerött och kobolt lila. Molekylerna skapade av forskare vid Rice University, McGovern Medical School vid University of Texas Health Science Center i Houston och Baylor College of Medicine är effektiva antioxidanter och hjälper forskare att förstå hur större nanopartiklar släcker skadliga reaktiva syrearter i kroppen. Kredit:Tour Group
PEG-HCCs är cirka 3 nanometer breda och 30 till 40 nanometer långa. Som jämförelse, mycket enklare PEG-PDI-molekyler är mindre än en nanometer i bredd och längd.
PEG-PDI-molekyler är sanna härmar av superoxiddismutasenzymer, skyddande antioxidanter som bryter ner giftiga superoxidradikaler till ofarligt molekylärt syre och väteperoxid. Molekylerna drar elektroner från instabil ROS och katalyserar deras omvandling till mindre reaktiva arter.
Att testa PEG-PDI-molekylerna kan vara så enkelt som att lägga dem i en lösning som innehåller reaktiva syremolekyler som kaliumsuperoxid och se lösningen ändra färg. Ytterligare karakterisering med elektronparamagnetisk resonansspektroskopi var mer komplicerad, men det faktum att det till och med är möjligt gör dem till kraftfulla verktyg för att lösa mekanistiska detaljer, sa forskarna.
Tour sa att tillsats av polyetylenglykol gör molekylerna lösliga och ökar också den tid de stannar kvar i blodomloppet. "Utan PEG, de går precis ut ur systemet genom njurarna, " sa han. När PEG-grupperna läggs till, molekylerna cirkulerar längre och fortsätter att katalysera reaktioner.
Han sa att PEG-PDI är lika effektivt som PEG-HCC om det mäts i vikt. "Eftersom de har så mycket mer yta, PEG-HCC-partiklar katalyserar förmodligen fler parallella reaktioner per partikel, Tour sa. "Men om du jämför dem med PEG-PDI i vikt, de är ganska lika i total katalytisk aktivitet."
Att förstå strukturen för PEG-PDI bör göra det möjligt för forskare att anpassa molekylen för tillämpningar. "Vi borde ha en enorm förmåga att modifiera molekylens struktur, " sa han. "Vi kan lägga till vad vi vill, precis där vi vill, för specifika terapier."
Forskarna sa att PEG-PDI också kan vara effektiva metall- och proteinfria katalysatorer för syrereduktionsreaktioner som används i industrin och är väsentliga för bränsleceller. De är i sig mer stabila än enzymer och kan fungera i ett mycket bredare pH-område, sa Tsai.
Medförfattare Thomas Kent, en professor i neurologi vid Baylor som har arbetat med projektet från starten, noterade små molekyler har en bättre chans att komma på den snabba vägen till godkännande för terapi av Food and Drug Administration än nanorörsbaserade medel. "En liten molekyl som inte är härledd från större nanomaterial kan ha en bättre chans att bli godkänd för användning på människor, förutsatt att det är säkert och effektivt, " han sa.
Tour sa att PEG-PDI fungerar som en exakt modell för andra grafenderivat som grafenoxid och tillåter en mer detaljerad studie av grafenbaserade nanomaterial. "Att göra nanomaterial mindre, från väldefinierade molekyler, tillåter 150 år av syntetiska kemimetoder för att ta itu med de mekanistiska frågorna inom nanoteknik, " han sa.
