Badania prowadzone przez Pinshane Huang z University of Illinois Urbana-Champaign przyspieszają techniki obrazowania pozwalające na wyraźną wizualizację struktur małych cząsteczek – proces, który kiedyś uważano za niemożliwy. Ich odkrycie uwalnia nieskończony potencjał w ulepszaniu codziennych zastosowań – od tworzyw sztucznych po farmaceutyki.

Profesor Wydziału Inżynierii i Nauki o Materiałach wraz ze współautorkami Blanką Janicek, absolwentką z roku ’21 i post-docem w Lawrence Berkeley National Laboratory w Berkeley, Kalifornia, oraz Priti Kharel, studentką Wydziału Chemii, udowodnili metodologię, która pozwala naukowcom na wizualizację małych struktur molekularnych i przyspieszenie obecnych technik obrazowania.

Dodatkowymi współautorami są absolwent Sang hyun Bae oraz studenci Patrick Carmichael i Amanda Loutris. Ich recenzowane badania zostały niedawno opublikowane w Nano Letters.

Wysiłki zespołu odsłaniają strukturę atomową cząsteczki, pozwalając naukowcom zrozumieć, jak reaguje, poznać jej procesy chemiczne i zobaczyć, jak syntetyzować jej związki chemiczne.

„Struktura cząsteczki jest tak fundamentalna dla jej funkcji” – powiedział Huang. „To, co zrobiliśmy w naszej pracy, to umożliwienie bezpośredniego zobaczenia tej struktury”.

Możliwość zobaczenia struktury małej cząsteczki jest niezwykle istotna. Kharel wyjaśnia, jak bardzo jest to istotne, podając przykład leku znanego jako talidomid.

Odkryty w latach 60-tych talidomid był przepisywany kobietom w ciąży w celu leczenia porannych chorób, a później okazało się, że powodował poważne wady wrodzone, a w niektórych przypadkach nawet śmierć.

Co poszło nie tak? Lek miał mieszane struktury molekularne, z których jedna była odpowiedzialna za leczenie porannej choroby, a druga niestety powodowała niszczące, niekorzystne skutki dla płodu.

Potrzeba proaktywnej, a nie reaktywnej nauki skłoniła Huang i jej studentów do kontynuowania badań, które pierwotnie rozpoczęły się z czystej ciekawości.

„To bardzo ważne, aby dokładnie określić strukturę tych cząsteczek” – powiedział Kharel.

Zazwyczaj struktury molekularne są określane za pomocą technik pośrednich, czasochłonnych i trudnych metod wykorzystujących magnetyczny rezonans jądrowy lub dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego. Co gorsza, metody pośrednie mogą dawać nieprawidłowe struktury, które przez dziesiątki lat dają naukowcom błędne zrozumienie składu cząsteczki. Niejasności otaczające struktury małych cząsteczek mogłyby zostać wyeliminowane dzięki zastosowaniu bezpośrednich metod obrazowania.

W ostatniej dekadzie Huang był świadkiem znacznego postępu w technologii kriogenicznej mikroskopii elektronowej, w której biolodzy zamrażają duże cząsteczki, aby uchwycić wysokiej jakości obrazy ich struktur.

„Pytanie, które miałem, brzmiało: Co powstrzymuje ich przed zrobieniem tego samego dla małych cząsteczek?” powiedział Huang. „Gdybyśmy mogli to zrobić, moglibyście być w stanie rozwiązać strukturę (i) dowiedzieć się, jak zsyntetyzować naturalny związek, który wytwarza roślina lub zwierzę. To może okazać się naprawdę ważne, jak wielki środek zwalczający choroby” – powiedział Huang.

Wyzwaniem jest to, że małe cząsteczki są często 100 lub nawet 1000 razy mniejsze od dużych cząsteczek, przez co ich struktury są trudne do wykrycia.

Zdeterminowani studenci Huanga zaczęli wykorzystywać istniejącą metodologię dotyczącą dużych cząsteczek jako punkt wyjścia do opracowania technik obrazowania, dzięki którym struktury małych cząsteczek będą widoczne.

W przeciwieństwie do dużych cząsteczek, sygnały obrazowania małych cząsteczek są łatwo przytłaczane przez ich otoczenie. Zamiast używać lodu, który zwykle służy jako warstwa ochronna przed trudnym środowiskiem mikroskopu elektronowego, zespół opracował inny plan utrzymania struktur małych cząsteczek w stanie nienaruszonym.