Выяснение химической структуры молекулы с нуля является важной частью исследования химических веществ, происходящих от природы, или «натуральных продуктов.»Для веществ, которые можно использовать в фармацевтике, эта структура может показать, как вещество может взаимодействовать с человеческим телом.
«Если молекула будет лекарством, вам нужно знать форму молекулы, чтобы знать, как она будет взаимодействовать с рецептором», — говорит Гил, профессор кафедры химии в Колледже науки Меллона Карнеги-Меллона.
Первым шагом в определении структуры молекулы является определение ее атомных строительных блоков с последующим выяснением ее двумерной структуры, которая показывает, как каждый атом связан друг с другом. В то время как некоторые атомные связи жесткие, другие могут вращаться вокруг сустава, что позволяет молекулам с одинаковыми компонентами и двумерными (2D) структурами иметь разные трехмерные (3D) формы.
Небольшие различия в форме могут привести к большим изменениям в том, как лекарства действуют в организме. Например, вращение одной связки в популярном болеутоляющем ибупрофене делает ее полностью неактивной.
Точно так же крахмал и целлюлоза имеют одинаковую 2D-структуру, но разные 3D-формы. Эта разница является причиной того, что люди могут переваривать зерно, а не древесину.
Гил и Наварро-Васкес восемь лет работали над упрощением процесса поиска и сортировки возможных трехмерных форм для любой заданной двухмерной структуры. А поскольку лабораторные инструменты для сбора данных о трехмерной структуре молекулы стали более распространенными и доступными, пришло время разработать метод автоматизации и оптимизации процесса.
Исследователи создали программу, написанную на языке программирования Python, которая использует информацию об остаточной диполярной связи (RDC), меру расстояния между атомами, выходящими из вращающихся связей.
Получая данные о данной молекуле из экспериментов RDC, программа генерирует возможные способы существования молекулы в трех измерениях и выбирает наиболее вероятный вариант.
Этот метод наиболее эффективен при изучении трехмерной структуры органических молекул малого и среднего размера, относительно жестких, с атомами углерода, упакованными в кольца, а не связанными в длинные изогнутые цепи. Команда проверила свою программу на шести таких молекулах, включая налтрексон, лекарство, которое блокирует действие опиоидов, и стрихнин, пестицид.
Во-первых, они определили двухмерную структуру каждой молекулы с помощью компьютерной программы выяснения структуры (CASE) при сотрудничестве с Клеменсом Анклином, вице-президентом по приложениям ЯМР и обучению в Bruker Corporation. Они загрузили эту информацию вместе с данными RDC о молекуле в свою новую программу. В каждом случае их программа могла выбрать правильную трехмерную структуру.
«Вы нажимаете кнопку, и с минимальным вмешательством человека или без вмешательства человека вы переходите от 2D к 3D-структуре за один раз», — говорит Гил.
Но не менее важна, чем скорость работы программы, и ее тщательность.
«Количество натуральных продуктов, о которых сообщается ошибочно, где указанная структура не соответствует реальной структуре, действительно велико», — говорит Наварро-Васкес, профессор химии в Федеральном университете Пернамбуку в Бразилии. Эта программа может быть ценным способом проверки возможных структур, которые исследователи могли бы иначе пропустить, помогая им избежать собственных врожденных предубеждений.
Гил прослеживает свое видение этого процесса еще в то время, когда он был аспирантом, и беседовал с наставником 30 лет назад об идее, что химики могут однажды поместить вещество в машину и увидеть ее структуру нажатием кнопки.
Вскоре, как он надеется, программы, подобные его созданию и созданию Наварро-Васкеса, будут объединять более ранние этапы процесса, приближая это видение к реальности.
«Мы очень близки», — говорит Гил. «Это мечта любого химика.»
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (CHE-0130903, CHE-1039870 и CHE-1111684) и Fundacao do Amparo a Ciencia e Tecnologia (APQ-0507-1.15.06).
Вот ещё на днях про то как получить лицензию на образование почитал, мне кажется это более чем интересная, важная и нужная для человека информация. Не верите, то тогда сами посмотрите.