Fizycy są coraz bliżej kontrolowania jednocząsteczkowych reakcji chemicznych – czy może to ukształtować przyszłość badań farmaceutycznych?
Przełomowe badanie pokazuje kontrolę nad materią na poziomie atomowym za pomocą nanotechnologii. Wykorzystując precyzję skaningowej mikroskopii tunelowej, naukowcy pokazali, jak manipulowanie poziomami energii może wpływać na konkurencyjne wyniki reakcji chemicznych. Postęp ten pozwala na ukierunkowane reakcje, takie jak te potrzebne do syntezy leków, przy jednoczesnej redukcji niepożądanych produktów ubocznych.
Kontrolowanie materii na poziomie atomowym
Naukowcy dokonali znaczącego postępu w kontrolowaniu materii na poziomie atomowym dzięki najnowocześniejszym badaniom w dziedzinie nanotechnologii prowadzonym przez fizyków z Uniwersytetu w Bath we współpracy z międzynarodowym zespołem.
Ten przełom ma dalekosiężne implikacje, zwiększając zarówno podstawową wiedzę naukową, jak i praktyczne zastosowania. Wśród nich może zrewolucjonizować sposób, w jaki badacze opracowują leki, poprawiając precyzję i skuteczność.
Chociaż kontrolowanie reakcji jednocząsteczkowych za pomocą jednego wyniku jest obecnie standardem w laboratoriach na całym świecie, taki poziom mistrzostwa nie zawsze był osiągalny. Ponad dziesięć lat temu badacze IBM zademonstrowali potencjał manipulacji atomami poprzez tworzenie Chłopiec i jego atomnajmniejszy film na świecie (zamieszczony poniżej). Korzystając z zaawansowanych technik, przesuwali pojedyncze cząsteczki – każda składająca się z dwóch połączonych atomów – klatka po klatce, powiększone 100 milionów razy, aby stworzyć narrację poklatkową w skali atomowej.
Wyzwania w osiąganiu selektywnych wyników chemicznych
Jednakże osiągnięcie kontroli nad reakcjami chemicznymi o wielu skutkach pozostaje nieuchwytne. Ma to znaczenie, ponieważ generalnie przydatne są tylko niektóre wyniki reakcji chemicznej.
Na przykład podczas syntezy leków proces chemiczny prowadzący do „cyklizacji” wytwarza pożądany związek terapeutyczny, podczas gdy inny wynik „polimeryzacji” prowadzi do niepożądanych produktów ubocznych.
Możliwość precyzyjnego kontrolowania reakcji w celu sprzyjania pożądanym wynikom i redukcji niepożądanych produktów ubocznych może poprawić wydajność i zrównoważony charakter procesów farmaceutycznych.
Skaningowa mikroskopia tunelowa: rewolucyjne narzędzie
Wyniki nowego badania opublikowano 28 listopada w prestiżowym czasopiśmie Komunikacja przyrodniczamieli na celu po raz pierwszy wykazać, że można wpływać na konkurencyjne wyniki reakcji chemicznych poprzez wykorzystanie rozdzielczości atomowej skaningowego mikroskopu tunelowego (STM).
Konwencjonalne mikroskopy wykorzystują światło i soczewki do powiększania preparatów, dzięki czemu możemy je oglądać gołym okiem lub kamerą. Jednakże w przypadku atomów i cząsteczek, które są mniejsze niż nawet najkrótsza długość fali światła widzialnego, tradycyjne metody zawodzą.
Aby zbadać te maleńkie krainy, naukowcy sięgają po skaningowy mikroskop tunelowy, który działa podobnie do gramofonu.
Z końcówką, która może być tak dobra jak pojedyncza atomskaningowe mikroskopy tunelowe poruszają się po powierzchni materiału, mierząc właściwości, takie jak prąd elektryczny, w celu zmapowania każdego punktu. Jednak zamiast wciskać końcówkę w powierzchnię jak igłę gramofonu, końcówka unosi się nad nią na szerokość jednego atomu.
Po podłączeniu do źródła zasilania elektrony przemieszczają się w dół końcówki i wykonują skok kwantowy przez szczelinę wielkości atomu. Im bliżej powierzchni znajduje się końcówka, tym silniejszy jest prąd; im dalej, tym słabszy prąd. Ta dobrze określona zależność między odległością końcówki a prądem pozwala mikroskopowi mierzyć i mapować powierzchnię atomu lub cząsteczki w oparciu o natężenie prądu elektrycznego. Gdy końcówka przesuwa się po powierzchni, tworzy precyzyjny obraz linia po linii, odsłaniając szczegóły niewidoczne dla konwencjonalnych mikroskopów świetlnych.
Postępujące reakcje jednocząsteczkowe
Wykorzystując atomową precyzję skaningowego mikroskopu tunelowego, naukowcy mogą wyjść poza mapowanie powierzchni cząsteczki – mogą zarówno zmieniać położenie pojedynczych atomów i cząsteczek, jak i wpływać i mierzyć prawdopodobieństwo wystąpienia określonych ścieżek reakcji w poszczególnych cząsteczkach.
Wyjaśniając, dr Kristina Rusimova, która kierowała badaniem na Wydziale Fizyki, powiedziała: „Zazwyczaj technologię STM wykorzystuje się do zmiany położenia poszczególnych atomów i cząsteczek, umożliwiając ukierunkowane interakcje chemiczne, jednak zdolność do kierowania reakcjami z konkurencyjnymi skutkami pozostaje wyzwaniem . Te różne wyniki zachodzą z pewnymi prawdopodobieństwami regulowanymi przez mechanikę kwantową – podobnie jak toczenie molekularnej kości.
„Nasze najnowsze badania pokazują, że STM może kontrolować prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji poprzez selektywne manipulowanie stanami ładunku i określonymi rezonansami poprzez ukierunkowany wtrysk energii”.
Rola energii w kostkach molekularnych
Dr Peter Sloan, starszy wykładowca na Wydziale Fizyki i współautor badania, powiedział: „Użyliśmy końcówki STM do wstrzyknięcia elektronów do cząsteczek toluenu, co spowodowało zerwanie wiązań chemicznych i albo przesunięcie do pobliskiego miejsca, albo lub desorpcja.
„Odkryliśmy, że stosunek tych dwóch wyników był kontrolowany przez energię wstrzykniętych elektronów. Ta zależność energetyczna pozwoliła nam uzyskać kontrolę nad prawdopodobieństwem wyniku każdej reakcji poprzez ukierunkowane „ogrzewanie” pośredniego stanu molekularnego, kierując się precyzyjnymi progami energetycznymi i barierami molekularnymi”.
Doktorant fizyki Pieter Keenan, pierwszy autor publikacji badawczej, powiedział: „Kluczem było tutaj utrzymanie identycznych warunków początkowych reakcji testowych – dopasowanie dokładnego miejsca wstrzyknięcia i stanu wzbudzenia – a następnie różnicowanie wyników wyłącznie w oparciu o energię wtryskiwane elektrony.
„W odpowiedzi pojedynczej cząsteczki na doprowadzoną energię różne bariery reakcji wpływają na prawdopodobieństwo wyniku reakcji. Zmiana jedynie wprowadzonej energii pozwala nam z dużą precyzją sprawić, że wynik reakcji będzie bardziej prawdopodobny niż inny – w ten sposób możemy „załadować molekularne kostki”.
Teoria pomostowa i eksperyment na rzecz innowacji molekularnych
Profesor Tillmann Klamroth z Uniwersytetu w Poczdamie w Niemczech dodał: „To badanie łączy zaawansowane modelowanie teoretyczne z precyzją eksperymentalną, co prowadzi do pionierskiego zrozumienia prawdopodobieństw reakcji w oparciu o krajobraz energii molekularnej. To otwiera drogę do dalszego postępu w nanotechnologii.”
W stronę programowalnych systemów molekularnych
Patrząc w przyszłość, dr Rusimova powiedziała: „Dzięki zastosowaniu zarówno w naukach podstawowych, jak i stosowanych, postęp ten stanowi ważny krok w kierunku w pełni programowalnych systemów molekularnych. Oczekujemy, że takie techniki odblokują nowe granice w produkcji molekularnej, otwierając drzwi do innowacji w medycynie, czystej energii i nie tylko”.
Odniesienie: „Pomiar konkurencyjnych wyników reakcji pojedynczej cząsteczki ujawnia klasyczną kinetykę chemiczną Arrheniusa”, Pieter J. Keenan, Rebecca M. Purkiss, Tillmann Klamroth, Peter A. Sloan i Kristina R. Rusimova, 28 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-54677-1
Badania zostały sfinansowane przez Towarzystwo Królewskie oraz Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC).
