Определение структуры органических молекул с помощью атомно-силовой микроскопии

Трехмерное изображение молекулы неизвестного на момент определения химического вещества. Эксперимент стал первым успешным примером использования атомно-силовой микроскопии для определения неизвестной молекулярной структуры. (Фото: Nature Chemistry)

Ученые IBM Research и Университета Абердина (University of Aberdeen) объединили свои усилия в новаторском проекте, в котором впервые структура неизвестного химического соединения из морских организмов, живущих на самых больших океанских глубинах на Земле, была определена с помощью атомно-силовой микроскопии (ACM). Это научное достижение открывает новые возможности в биологических исследованиях и поможет ускорить разработку различных лекарственных препаратов.

О своем открытии ученые сообщают на сайте журнала Nature Chemistry.

В прошлом году ученые Морского биологического научно-исследовательского центра (Marine Biodiscovery Centre) Университета Абердина начали работу над одним из видов бактерий из образцов грязи, взятых из Мариинской впадины – самого глубокого места на Земле (10916 метров под поверхностью Тихого океана). Эти устойчивые к давлению бактерии - Dermacoccus abyssi – вырабатывают химическое соединение, которое никак не удавалось идентифицировать.

Используя бесконтактную атомно-силовую микроскопию, ученые из IBM Research смогли получить изображение отдельных молекул этого соединения с атомарным разрешением за одну неделю. Эти изображения вместе с вычислениями в соответствии с теорией функциональной плотности подтвердили идентификацию цефаландола А, который на самом деле оказался давно известным соединением и первоначально был выделен из тайваньских орхидей.

«Получение уникальных химических соединений из некоторых самых экстремальных мест Земли и определение их структуры иногда оказывается чрезвычайно длительным процессом», - говорит Лео Гросс (Leo Gross) из IBM Research. «Наш метод показывает, что сканирующая зондовая микроскопия может ускорить определение структуры молекул, что очень сложно сделать с помощью традиционных методов».

Эксперимент стал первым примером удачного использования атомно-силовой микроскопии для определения неизвестной молекулярной структуры.

«Природная среда Земли богата различными уникальными организмами, из которых можно получить широкий спектр химических соединений. Многие из них совершенно неизвестны науке», - говорит директор Морского биологического научно-исследовательского центра профессор Марсель Джэсперс (Marcel Jaspars). «Эти соединения могут оказаться полезными при разработке фармацевтических препаратов и других биомедицинских продуктов. Но чтобы использовать их потенциал, мы сначала должны понять эти вещества с точки зрения их молекулярной структуры».

Уже сотни лет назад ученые пришли к мысли, что в окружающей нас природной среде – например, в океанах и пустынях – существует огромное количество уникальных ресурсов в виде химических соединений, которые можно использовать для разработки новых лекарственных средств.

Понимая это, ученые Морского биологического научно-исследовательского центра сосредоточили свое внимание, в частности, на морских организмах как источнике химических соединений, которые можно использовать для разработки новых препаратов для лечения рака, воспалений, инфекций и паразитарных заболеваний.

Используя масс-спектрометрию, ученые из Университета Абердина быстро определили химический состав соединения из Dermacoccus abyssi, но идентификация его точной молекулярной структуры была более сложной задачей. Даже современные методы ядерно-магнитного резонанса не позволяют определить точную структуру соединения и расположение отдельных его атомов из-за небольшого количества протонов.

В данном случае ученые имели четыре варианта структуры, ни один из которых нельзя было исключить с помощью данных ядерного магнитного резонанса. Единственной возможностью определить соответствующую реальности структуру оставалось проведение химического синтеза всех предполагаемых ее вариантов, что является очень сложной задачей, занимающей несколько месяцев.

«Определение структуры неизвестного соединения – длительный процесс, который может занять месяцы, поэтому возможность немедленно «увидеть» структуру химического соединения, просто посмотрев в микроскоп, можно назвать гигантским достижением», - говорит профессор Джэсперс. «Наш новый подход может привести к гораздо более быстрой идентификации неизвестных химических соединений и в конечном итоге ускорит процесс разработки новых фармацевтических препаратов».

По материалам

IBM and University of Aberdeen collaborate to identify molecules from the deep sea

Аннотация к статье: L. Gross, F. Mohn, N. Moll, G. Meyer, R. Ebel, W. M. Abdel-Mageed and M. Jaspars. Organic structure determination using atomic-resolution scanning probe microscopy