צוות מחקר בינלאומי בראשות אוניברסיטת וינה הצליח לפתח שיטה חדשה למדידה ישירה של חיובים חלקים במולקולות. התוצאות, שפורסמו כעת ב טֶבַעספק תובנות חדשות לגבי אינטראקציות מולקולריות והציע יישומים פוטנציאליים בפיתוח תרופות ומדע חומרים.
כוחות אלקטרוסטטיים – האינטראקציות האטרקטיביות או הדוחה בין אטומים או מולקולות – שוכנים בלב כל האינטראקציות המולקולריות: הם מהותיים לאופן בו מולקולות מתכנסות, מיישמות ומגיבות זו לזו. בכימיה, כוחות אלה מתוארים במונחים של מטענים חלקים: חוסר איזון זעיר באופן האלקטרונים מופצים בתוך מולקולה.
התזוזות העדינות הללו אחראיות קובעות כיצד מולקולות מתקשרות זו עם זו וסביבתן. הם המפתח להבנת תגובתיות כימית, תפקוד ביולוגי והתנהגות חומרית. ברפואה, למשל, מטענים חלקים משפיעים על אופן סגירת התרופות, מופצים ומטבולייות – ויכולים לעצב הן את השפעותיהן הטיפוליות והן את תופעות הלוואי הפוטנציאליות. עם זאת, למרות חשיבותם, המטענים החלקים נותרו תיאורטיים גרידא: עד כה לא הייתה שום דרך למדוד אותם ישירות.
פריצת דרך במדידת מטענים מולקולריים
צוות מחקר בראשותו של טים גרון, ראש מתקן הליבה לניתוח מבנה קריסטל, וכריסטיאן שרדר מהמחלקה לכימיה ביולוגית חישובית באוניברסיטת וינה, פיתח כעת שיטה המאפשרת לקבוע חיובים חלקים באופן ניסיוני.
השתמשנו בטכניקה שנקראת דיפרקציה אלקטרונית. זה כרוך בכוונת קרן אלקטרונים עדינה בקריסטל זעיר. מכיוון שאלקטרונים טעונים, הם רגישים לפוטנציאל האלקטרוסטטי בתוך הגביש ובכך למטענים החלקים של אטומים. הסטייה הזעירה שהתקבלה בקורה הוקלטה באמצעות מצלמה חדשה שפותחה במכון פול שרר בשוויץ. "
טים גרון, ראש, מתקן ליבה לניתוח מבנה קריסטל, המחלקה לכימיה ביולוגית חישובית, אוניברסיטת וינה
הצוות שילב את נתוני הדיפרקציה עם שיטת ניתוח חדשה הנקראת דוגמנות גורמי פיזור יוני (ISFAC). בגישה זו, כל אטום של מולקולה מתוכנן במקביל כניטרלי וכמין טעון. על ידי השוואה בין המודל לנתוני הניסוי, החוקרים הצליחו לכמת את המטען החלקית של כל אטום.
"עד כה הוערכו חיובים חלקים בשיטות חישוביות", אומר כריסטיאן שרדר. "חלק מהמטענים האטומיים המתאימים לשחזור הפוטנציאל האלקטרוסטטי המולקולרי, וכתוצאה מכך מה שמכונה מטענים הנגזרים על פוטנציאל אלקטרוסטטי (ESP מטענים). אחרים מחלקים את צפיפות האלקטרונים עצמה בין אטומים. בעוד ששימשו בשימוש נרחב במודלים מולקולריים, שיטות אלה יכולות להניב ערכים שונים תלוי באלגוריתם.
תחולת רחבה על פני סוגים מולקולריים
כדי להדגים את תחולתן הרחבה של השיטה שלהם, החוקרים בדקו קבוצה מגוונת של תרכובות גביריות-כולל הזרז התעשייתי ZSM-5, חומצות האמינו טירוזין והיסטידין, חומצה טרטרית מהיין האוסטרי, והציפרופלוקסין האנטיביוטי הנפוץ. עבור Ciprofloxacin, המופיע ברשימת התרופות החיוניות של ארגון הבריאות העולמי ומנוהל בדרך כלל כמלח הידרוכלוריד, הניתוח הראה כי יון הכלוריד (CL⁻) נושא רק כ -40 אחוז מהמטען השלילי המלא. זה מדגים עד כמה סביבת מולקולה יכולה להשפיע על חלוקת המטען המקומי.
פוטנציאל לתרופות ותכנון חומרים
מתקן הליבה לניתוח מבנה קריסטל באוניברסיטת וינה מילא תפקיד מפתח בקידום קריסטלוגרפיה אלקטרונית בשנים האחרונות. עם פריצת הדרך האחרונה הזו, הטכניקה עוברת מעבר לקביעת עמדות אטומיות לחשיפה ניסיונית של תכונות אלקטרוניות. היכולת למדוד מטענים חלקים פותחת אפשרויות חדשות לעיצוב תרופות עם ספציפיות רבה יותר ופחות תופעות לוואי, כמו גם חומרים פונקציונליים עם תכונות מכוונות בדיוק.
