Onderzoekers versnellen beeldvormingstechnieken voor het vastleggen van structuren van kleine moleculen

Een onderzoeksinspanning van de University of Illinois Urbana-Champaign onder leiding van Pinshane Huang versnelt beeldvormingstechnieken om structuren van kleine moleculen duidelijk te visualiseren – een proces dat ooit voor onmogelijk werd gehouden. Hun ontdekking ontketent een eindeloos potentieel bij het verbeteren van toepassingen in het dagelijks leven, van plastic tot farmaceutica.

De universitair hoofddocent van het Department of Materials Science and Engineering werkt samen met co-lead auteurs Blanka Janicek, een ’21 alumna en post-doc aan het Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Californië, en Priti Kharel, een afgestudeerde student van het Department of Chemistry, om de methodologie te bewijzen waarmee onderzoekers kleine moleculaire structuren kunnen visualiseren en de huidige beeldvormingstechnieken kunnen versnellen.

Andere co-auteurs zijn onder meer afgestudeerde student Sang hyun Bae en studenten Patrick Carmichael en Amanda Loutris. Hun peer-reviewed onderzoek is onlangs gepubliceerd in Nano-letters.

De inspanningen van het team leggen de atomaire structuur van het molecuul bloot, waardoor onderzoekers kunnen begrijpen hoe het reageert, de chemische processen leren kennen en zien hoe de chemische verbindingen kunnen worden gesynthetiseerd.

“De structuur van een molecuul is zo fundamenteel voor zijn functie”, zei Huang. “Wat we in ons werk hebben gedaan, is het mogelijk maken om die structuur direct te zien.”

Het vermogen om de structuur van een klein molecuul te zien is van vitaal belang. Kharel deelt hoe belangrijk het is door het voorbeeld te geven van een medicijn dat bekend staat als thalidomide.

thalidomide, ontdekt in de jaren ’60, werd voorgeschreven aan zwangere vrouwen om ochtendmisselijkheid te behandelen en bleek later ernstige geboorteafwijkingen of, in sommige gevallen, zelfs de dood te veroorzaken.

Wat ging er mis? Het medicijn had gemengde moleculaire structuren, waarvan de ene verantwoordelijk was voor de behandeling van ochtendmisselijkheid en de andere die helaas verwoestende, nadelige effecten op de foetus veroorzaakte.

De behoefte aan proactieve, niet reactieve wetenschap heeft Huang en haar studenten ertoe aangezet om deze onderzoeksinspanning voort te zetten die oorspronkelijk uit pure nieuwsgierigheid begon.

“Het is zo cruciaal om de structuren van deze moleculen nauwkeurig te bepalen,” zei Kharel.

Meestal worden moleculaire structuren bepaald met indirecte technieken, een tijdrovende en moeilijke benadering die gebruik maakt van nucleaire magnetische resonantie of röntgendiffractie. Erger nog, indirecte methoden kunnen onjuiste structuren produceren die wetenschappers decennialang een verkeerd begrip geven van de samenstelling van een molecuul. De dubbelzinnigheid rond de structuren van kleine moleculen zou kunnen worden geëlimineerd door directe beeldvormingsmethoden te gebruiken.

In het afgelopen decennium heeft Huang aanzienlijke vooruitgang geboekt in de cryogene elektronenmicroscopietechnologie, waarbij biologen de grote moleculen bevriezen om hoogwaardige beelden van hun structuren te maken.

“De vraag die ik had was: wat weerhoudt hen ervan om hetzelfde te doen voor kleine moleculen?” zei Huang. “Als we dat zouden kunnen doen, zou je misschien in staat zijn om de structuur op te lossen (en) erachter te komen hoe je een natuurlijke verbinding kunt synthetiseren die een plant of dier maakt. Dit kan heel belangrijk blijken te zijn, zoals een geweldige ziektebestrijder.” zei Huang.

De uitdaging is dat kleine moleculen vaak 100 of zelfs 1000 keer kleiner zijn dan grote moleculen, waardoor hun structuren moeilijk te detecteren zijn.

Vastbesloten begonnen de studenten van Huang de bestaande methodologie voor grote moleculen te gebruiken als uitgangspunt voor het ontwikkelen van beeldvormingstechnieken om de structuren van de kleine moleculen zichtbaar te maken.

In tegenstelling tot grote moleculen worden de beeldsignalen van kleine moleculen gemakkelijk overweldigd door hun omgeving. In plaats van ijs te gebruiken, dat doorgaans dient als een beschermingslaag tegen de barre omgeving van de elektronenmicroscoop, bedacht het team een ​​ander plan om de structuren van de kleine moleculen intact te houden.

Hoe kun je de omgeving van een molecuul temperen? Door grafeen te gebruiken.

Grafeen, een enkele laag koolstofatomen die een strak, zeshoekig honingraatrooster vormt, verdrijft schadelijke reacties tijdens beeldvorming.

Het stabiliseren van de omgeving van het kleine molecuul was slechts één probleem dat de Illinois-onderzoekers moesten oplossen. Het team moest ook het gebruik van elektronen beperken, tot een miljoenste van het aantal verkiezingen dat normaal wordt gebruikt, om de moleculen te verlichten.

Lage doses elektronen zorgen ervoor dat de moleculen nog voldoende in beweging zijn zodat de onderzoekers een beeld kunnen vastleggen.

“De manier waarop ik er graag over denk, is dat het molecuul niet graag wordt gebombardeerd door verkiezingen met hogere energie, maar we moeten dat doen om de structuur te kunnen zien, en grafeen helpt een deel van die lading weg te voeren van de molecuul, zodat we er een mooi beeld van kunnen krijgen,” zei Janicek.

Helaas waren de moleculen, toen ze eenmaal waren vastgelegd, bijna onzichtbaar in het beeld.

“Als ze een afbeelding met een lage dosis maken, lijkt het in eerste instantie op ruis of statische tv – bijna alsof er niets is”, zei Huang.

De truc was om de atomaire structuren van die ruis te isoleren door een Fourier-transformatie te gebruiken – een wiskundige functie die het beeld van het kleine molecuul afbreekt – om zijn ruimtelijke frequentie te zien.

“We hebben afbeeldingen gemaakt van honderdduizenden moleculen en deze bij elkaar opgeteld om een ​​enkel, duidelijk beeld te krijgen,” zei Kharel.

Door deze middelingsaanpak kon het team scherpe beelden maken van de atomen van de moleculen zonder de integriteit van een individueel molecuul te beschadigen.

“Maand na maand, week na week verbeterde onze resolutie”, zei Huang. “En op een dag kwamen mijn studenten binnen en lieten me de individuele koolstofatomen zien – dat is een grote prestatie. En natuurlijk komt het na al deze diepgaande kennis die ze hebben opgedaan om een ​​beeldvormingsexperiment te ontwerpen en hoe gegevens te ontgrendelen van wat lijkt nergens op.”

Deze collectieve ontdekking maakt de weg vrij voor veel meer bevindingen op het gebied van structurele molecuulbeeldvorming.

“Er is dit hele veld van kleine moleculen geweest die bij wijze van spreken in de kou zijn gelaten. We schijnen een licht op hoe komen we daar als een veld? Hoe maken we dit ding dat voor ons nu is zo hard?” zei Huang. ‘Op een dag zal het niet zo zijn – dat is de hoop.’

De inspanningen van de Illinois-onderzoekers zijn de eerste grote stap om die droom werkelijkheid te laten worden.

“Op een dag zal dit de manier zijn waarop we de structuur van een klein molecuul oplossen,” zei Huang. “Mensen gooien het molecuul gewoon in de elektronenmicroscoop, maken een foto en klaar.”

Die droom inspireert Huang en haar Illinois-team om op koers te blijven.

“Dat is potentieel levensveranderend, en we hebben het laten bestaan”, zei Huang. “We hebben het nog niet gemakkelijk gemaakt, maar beeldvormingstechnieken zoals deze zullen zoveel van wetenschap en technologie veranderen.”