Новый метод microed определяет молекулярную структуру вещества за полчаса

baner_dialog

20181227

Рис. 1. Определение структуры молекулы прогестерона с помощью нового метода электронной дифракции. Порошок из банки с прогестероном высыпают на салфетку, слегка измельчают, наносят крупинки на специальную сетку для помещения в электронный микроскоп, в микроскопе образец замораживается до температуры жидкого азота, крупицу (нанокристалл) облучают пучком электронов, в течении трех минут собирают данные дифракции электронов на специальную КМОП-матрицу, анализируют их компьютерной программой, и через десять минут программа выдает рисунок структуры с разрешением менее одного ангстрема (1Å). Синей сеткой вокруг атомов обозначена амплитуда их вибрации. Весь процесс от открытия банки до получения структуры занимает менее получаса. Рисунок из обсуждаемой статьи

Достоверное определение молекулярной структуры вещества (особенно новых веществ) — это почти всегда длительный процесс, включающий в себя очистку, приготовление образцов и использование нескольких независимых аналитических и физических методов анализа. Он может занимать дни, недели или месяцы. Но похоже, мы находимся на пороге революции в этой области: исследователи из США выложили в открытый доступ препринт статьи с описанием нового прямого метода определения структуры органических молекул в твердом виде при помощи электронной дифракции, который выдает результат буквально за полчаса. Такой прорыв стал возможен благодаря облучению образца пучком электронов с разных сторон и специально разработанному алгоритму анализа получающейся дифракционной картины.

С самого начала истории химии определение структуры веществ было одной из самых важных и при этом самых сложных задач. Практически все химические исследования или рутинные проверки включают в себя определение структуры вещества. В художественных фильмах, отнюдь не только фантастических, очень часто можно видеть, как химик кладет только что найденный образец в прибор — и у него на экране сразу появляется структура доселе неизвестной молекулы. У настоящих химиков такие кадры могут вызвать лишь ухмылку. Кое-какие методы мгновенного определения структуры есть и используются, например, в аэропортах для поиска наркотиков и взрывчатых веществ. Но все эти методы нацелены на очень ограниченное количество молекул, все без исключения являются косвенными и структуру чего-либо нового, не заложенного в них, распознать не способны.

Создано и множество лабораторных методов, которые применяются, когда скорость не очень важна, зато нужно как можно точнее выявить структуру молекулы. Это определение точек кипения и плавления, измерение спектров поглощения и отражения волн различных длин (см. Ультрафиолетовая спектроскопия и Инфракрасная спектроскопия), элементный и спектральный анализы (определение продуктов горения и их спектров) и многие другие. В наши дни наиболее популярными являются ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия и рентгенокристаллография.

Поэтому несложно представить возбуждение, охватившее химиков во всем мире, когда неделю назад в открытый доступ на сайте препринтов химических статей chemrxiv.org была выложена статья с описанием прямого метода определения структуры молекул, который требует всего нескольких десятков минут, подходит почти для любых твердых веществ и для которого хватает наноразмерного образца (рис. 1). Вещество всё равно должно быть в кристаллической форме, но размер может быть настолько крохотным, что получить кристаллы достаточного качества (без дефектов) не представляет трудности. Настолько мелкие кристаллы зачастую образуются спонтанно при высушивании раствора — проблему для применения в рентгенокристаллографии представляет их многократное укрупнение без образования дефектов. Метод, названный авторами MicroED (аббревиатура от micro-electron diffraction — «микроскопия + электронная дифракция»), является адаптацией и улучшением технологии электронной кристаллографии в криоэлектроннoй микроскопии, которая использовалась до сих пор для определения структуры белков, и за которую была вручена Нобелевская премия по химии в 2017 году.

Рис. 3 демонстрирует еще одну уникальную возможность, которую предоставляет метод MicroED. Несколько веществ (биотин, цинхонин, карбамазепин и бруцин) смешали, смесь поместили под микроскоп и в течении нескольких минут, учитывая уже полученные данные на индивидуальных образцах, смогли определить, к какому из четырех веществ относится каждый отдельный нанокристалл.

Подробнее можно ознакомиться на сайте ЭЛЕМЕНТЫ.

Источник: Christopher G. Jones, Michael W. Martynowycz, Johan Hattne, Tyler Fulton, Brian M. Stoltz, Jose A. Rodriguez, Hosea M. Nelson, Tamir Gonen. The CryoEM method MicroED as a powerful tool for small molecule structure — препринт на сайте chemrxiv.org.

См. также:

Robert F. Service. ‘A new day for chemistry’: Molecular CT scan could dramatically speed drug discovery — колонка, посвященная обсуждаемой статье на сайте журнала Science.

Кафедра естественно-математических дисциплин

и методики их преподавания