Forscher beschleunigen bildgebende Verfahren zur Erfassung der Strukturen kleiner Moleküle

Ein Forschungsprojekt der University of Illinois Urbana-Champaign unter der Leitung von Pinshane Huang beschleunigt bildgebende Verfahren zur klaren Visualisierung von Strukturen kleiner Moleküle – ein Prozess, der früher für unmöglich gehalten wurde. Ihre Entdeckung setzt ein endloses Potenzial zur Verbesserung alltäglicher Anwendungen frei – von Kunststoffen bis hin zu Pharmazeutika.

Die außerordentliche Professorin des Department of Materials Science and Engineering hat sich mit den Co-Hauptautorinnen Blanka Janicek, einer 21-jährigen Alumna und Postdoc am Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, und Priti Kharel, einer Doktorandin des Department of Chemistry, zusammengetan. um die Methodik zu beweisen, die es Forschern ermöglicht, kleine molekulare Strukturen sichtbar zu machen und aktuelle Bildgebungsverfahren zu beschleunigen.

Weitere Co-Autoren sind der Doktorand Sang Hyun Bae und die Studenten Patrick Carmichael und Amanda Loutris. Ihre Peer-Review-Forschung wurde kürzlich in veröffentlicht Nano-Buchstaben.

Die Bemühungen des Teams legen die atomare Struktur des Moleküls offen und ermöglichen es den Forschern zu verstehen, wie es reagiert, seine chemischen Prozesse zu lernen und zu sehen, wie seine chemischen Verbindungen synthetisiert werden.

„Die Struktur eines Moleküls ist so grundlegend für seine Funktion“, sagte Huang. „Was wir in unserer Arbeit getan haben, ist es möglich zu machen, diese Struktur direkt zu sehen.“

Die Fähigkeit, die Struktur eines kleinen Moleküls zu sehen, ist von entscheidender Bedeutung. Kharel teilt mit, wie lebenswichtig es ist, indem er das Beispiel eines Medikaments nennt, das als Thalidomid bekannt ist.

In den 60er Jahren entdeckt, wurde Thalidomid schwangeren Frauen zur Behandlung der morgendlichen Übelkeit verschrieben und es wurde später festgestellt, dass es schwere Geburtsfehler oder in einigen Fällen sogar den Tod verursacht.

Was schief gelaufen ist? Das Medikament hatte gemischte Molekularstrukturen, von denen eine für die Behandlung der morgendlichen Übelkeit verantwortlich war und die andere leider verheerende, nachteilige Auswirkungen auf den Fötus hatte.

Die Notwendigkeit einer proaktiven, nicht reaktiven Wissenschaft hat Huang und ihre Studenten dazu gedrängt, diese Forschungsanstrengungen fortzusetzen, die ursprünglich mit reiner Neugier begannen.

„Es ist so wichtig, die Strukturen dieser Moleküle genau zu bestimmen“, sagte Kharel.

Typischerweise werden molekulare Strukturen mit indirekten Techniken bestimmt, einem zeitaufwändigen und schwierigen Ansatz, der Kernspinresonanz oder Röntgenbeugung verwendet. Schlimmer noch, indirekte Methoden können falsche Strukturen erzeugen, die Wissenschaftlern jahrzehntelang ein falsches Verständnis des Aufbaus eines Moleküls vermitteln. Die Mehrdeutigkeit, die die Strukturen kleiner Moleküle umgibt, könnte durch die Verwendung direkter Bildgebungsverfahren eliminiert werden.

In den letzten zehn Jahren hat Huang bedeutende Fortschritte in der kryogenen Elektronenmikroskopie-Technologie erlebt, bei der Biologen die großen Moleküle einfrieren, um qualitativ hochwertige Bilder ihrer Strukturen aufzunehmen.

„Die Frage, die ich hatte, war: Was hält sie davon ab, dasselbe für kleine Moleküle zu tun?“ sagte Huang. „Wenn wir das tun könnten, könnten Sie vielleicht die Struktur lösen (und) herausfinden, wie man eine natürliche Verbindung synthetisiert, die eine Pflanze oder ein Tier herstellt. Das könnte sich als wirklich wichtig erweisen, wie ein großer Krankheitsbekämpfer.“ sagte Huang.

Die Herausforderung besteht darin, dass kleine Moleküle oft 100- oder sogar 1.000-mal kleiner sind als große Moleküle, was es schwierig macht, ihre Strukturen zu erkennen.

Entschlossen begannen Huangs Studenten, die bestehende Großmolekülmethodik als Ausgangspunkt für die Entwicklung von Bildgebungsverfahren zu verwenden, um die Strukturen der kleinen Moleküle sichtbar zu machen.

Im Gegensatz zu großen Molekülen werden die Bildgebungssignale von kleinen Molekülen leicht von ihrer Umgebung überwältigt. Anstatt Eis zu verwenden, das normalerweise als Schutzschicht vor der rauen Umgebung des Elektronenmikroskops dient, entwickelte das Team einen anderen Plan, um die Strukturen der kleinen Moleküle intakt zu halten.

Wie kann man die Umgebung eines Moleküls temperieren? Durch die Verwendung von Graphen.

Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die ein dichtes, sechseckiges Wabengitter bilden, leitet schädliche Reaktionen während der Bildgebung ab.

Die Stabilisierung der Umgebung des kleinen Moleküls war nur ein Problem, mit dem die Forscher aus Illinois fertig werden mussten. Das Team musste auch die Verwendung von Elektronen auf ein Millionstel der normalerweise verwendeten Anzahl von Elektronen begrenzen, um die Moleküle zu beleuchten.

Niedrige Elektronendosen sorgen dafür, dass sich die Moleküle noch genug bewegen, damit die Forscher ein Bild aufnehmen können.

„Ich denke gerne darüber nach, dass das Molekül nicht gerne von hochenergetischen Wahlen bombardiert wird, aber wir müssen das tun, um die Struktur sehen zu können, und Graphen hilft dabei, einen Teil dieser Ladung vom Molekül abzuleiten Molekül, damit wir tatsächlich ein schönes Bild davon bekommen können“, sagte Janicek.

Leider waren die Moleküle nach der Aufnahme im Bild fast unsichtbar.

„Wenn sie ein Bild mit niedriger Dosis aufnehmen, sieht es zunächst aus wie Rauschen oder Fernsehrauschen – fast so, als wäre nichts da“, sagte Huang.

Der Trick bestand darin, die atomaren Strukturen von diesem Rauschen zu isolieren, indem eine Fourier-Transformation – eine mathematische Funktion, die das Bild des kleinen Moleküls zerlegt – verwendet wurde, um seine räumliche Frequenz zu sehen.

„Wir haben Bilder von Hunderttausenden von Molekülen gemacht und sie zu einem einzigen, klaren Bild zusammengefügt“, sagte Kharel.

Dieser Mittelungsansatz ermöglichte es dem Team, gestochen scharfe Bilder der Atome der Moleküle zu erstellen, ohne die Integrität eines einzelnen Moleküls zu beschädigen.

„Monat für Monat, Woche für Woche verbesserte sich unsere Entschlossenheit“, sagte Huang. „Und dann kamen eines Tages meine Studenten und zeigten mir die einzelnen Kohlenstoffatome – das ist eine große Leistung. Und natürlich kommt es nach all dem tiefen Wissen, das sie sich angeeignet haben, um ein Bildgebungsexperiment zu entwerfen und wie man Daten aus was erschließt sieht aus wie nichts.“

Diese kollektive Entdeckung ebnet den Weg für viele weitere Ergebnisse der strukturellen Molekülbildgebung.

„Es gab dieses ganze Feld kleiner Moleküle, die sozusagen in der Kälte gelassen wurden. Wir beleuchten, wie wir als Feld dorthin gelangen? Wie machen wir dieses Ding, das für uns gerade jetzt ist? so schwer?“ sagte Huang. „Eines Tages wird es nicht mehr sein – das ist die Hoffnung.“

Die Bemühungen der Forscher aus Illinois sind der erste große Schritt, um diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen.

„Eines Tages werden wir so die Struktur eines kleinen Moleküls lösen“, sagte Huang. „Die Leute werden das Molekül einfach in das Elektronenmikroskop werfen, ein Foto machen und fertig.“

Dieser Traum inspiriert Huang und ihr Team aus Illinois, den Kurs beizubehalten.

„Das ist potenziell lebensverändernd, und wir haben dafür gesorgt, dass es existiert“, sagte Huang. „Wir haben es noch nicht einfach gemacht, aber bildgebende Verfahren wie dieses werden so viel von Wissenschaft und Technologie verändern.“