Новый способ прогнозирования результатов реакций может привести к более быстрому открытию новых материалов, в том числе для зондирования, катализа и доставки лекарств.
Ферменты выполняют важные химические и биологические процессы , забирая биомолекулы в полости внутри своих структур и облегчая важные реакции. Химики попытались имитировать это с помощью «молекулярных клеток» — химических структур, которые содержат полости, которые могут связывать более мелкие молекулы внутри, называемые «гостями».
Эти молекулярные клетки могут действовать как искусственные имитаторы ферментов и, как было показано, ускоряют важные реакции, такие как гидролиз амидных связей, разложение токсинов и ряд химических превращений. Улучшение этих реакций может однажды стимулировать развитие новых технологий в таких областях, как химическое зондирование.
Однако исследователям может быть сложно разработать структуры, которые будут полезны, а также успешно синтезированы в лаборатории. Теперь исследователи из химического факультета Имперского колледжа Лондона использовали компьютерный подход для предсказания результатов реакций строительства клеток с высокой точностью.
Это поможет химикам выбрать идеальные строительные блоки для подготовки клеток с желаемой структурой и свойствами, прежде чем пытаться синтезировать их в лаборатории, сводя к минимуму количество неудачных экспериментов. Исследование опубликовано сегодня в издании Angewandte Chemie International Edition .
Новые строительные блоки
В настоящее время для упрощения их синтеза большинство клеток и их полости имеют высокую симметрию. Однако это ограничивает конструкцию клеток для потенциальных молекул-гостей. Это контрастирует со способностью природных ферментов быть высокоселективными в отношении связывания молекул с ними.
Исследователи из Imperial разрабатывают способы сборки клеток с более низкой симметрией, позволяющие получить более индивидуальные формы полости, используя более сложные компоненты в их конструкции. Используя несимметричные строительные блоки, можно создать «шаткие» клетки с интересными формами полостей.
Однако несимметричные строительные блоки сложнее создать, потому что результаты реакций «самосборки», необходимых для их построения, труднее предсказать. Неудачные реакции могут привести к образованию нежелательной молекулы или даже смеси продуктов, а не к единой целевой структуре.
Все это означает, что создание новых клеток может оказаться трудоемким и дорогостоящим методом проб и ошибок, требующим больших затрат усилий.
Вместо этого новый подход анализирует вычислительные модели потенциальных клеток, чтобы делать прогнозы об их самосборке. В прогнозах используются энергия и геометрия каркасов, построенных с помощью вычислений, и они служат хорошим руководством для определения того, приведет ли процесс самосборки к единой конструкции. Затем эту информацию можно использовать для выбора молекул клетки-мишени для подготовки в лаборатории.
Соавтор исследования доктор Джейми Льюис из химического факультета Imperial сказал, что «раньше нам просто приходилось заходить в лабораторию и пробовать множество вещей, пока что-то не сработает. Теперь мы можем провести некоторые быстрые расчеты, идентифицировать клетки с полезными свойствами, и будьте уверены, что мы сможем синтезировать их без каких-либо проблем ».
Сила предсказания
Команда использовала программное обеспечение под названием stk, ранее разработанное в Imperial, для построения вычислительных моделей. Помимо большой предсказательной способности, вычисления также очень быстрые, занимая всего несколько часов на обычном настольном ПК.
Ведущий автор исследования доктор Эндрю Тарзия из химического факультета Imperial сказал, что «эффективность нашего подхода является ключевым моментом, потому что он позволяет нам тестировать на компьютере гораздо больше строительных блоков за неделю, чем можно было бы протестировать за неделю. лаборатория и с большим разнообразием ».
На основе расчетных данных команда выбрала ряд строительных блоков для синтеза в лаборатории. Они обнаружили, что этот подход успешно предсказывает экспериментальные результаты процесса самосборки .
Это позволило им приготовить несколько новых низкосимметричных «шатких клеток», которые никогда раньше не синтезировались, и подтвердило полезность вычислений для предсказания того, какие молекулы будут формироваться.
В настоящее время команда продолжает развивать и улучшать этот подход к эффективному синтезу, основанному на вычислениях, для доступа к новым молекулярным клеткам . Обладая способностью быстро предсказать, какие клетки можно легко приготовить в лаборатории, они надеются использовать это для создания новых материалов с широким спектром применений в зондировании, катализе, хранении газа и доставке лекарств.
