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Apr 07, 2023

Das Forschungsteam aus Illinois beschleunigt bildgebende Verfahren zur Erfassung der Strukturen kleiner Moleküle

Geschrieben von Emily Jankauski URBANA, Ill. – Eine Universität von Illinois

Geschrieben von Emily Jankauski

URBANA, Illinois – Ein Forschungsprojekt der University of Illinois Urbana-Champaign unter der Leitung von Pinshane Huang beschleunigt bildgebende Verfahren, um Strukturen kleiner Moleküle klar sichtbar zu machen – ein Prozess, der einst für unmöglich gehalten wurde. Ihre Entdeckung eröffnet ein endloses Potenzial zur Verbesserung alltäglicher Anwendungen – von Kunststoffen bis hin zu Arzneimitteln.

Der außerordentliche Professor des Fachbereichs Materialwissenschaft und Werkstofftechnik hat sich mit den Co-Hauptautoren Blanka Janicek, einer Absolventin und Postdoktorandin des Jahrgangs 2021 am Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, und Priti Kharel, einer Doktorandin des Fachbereichs Chemie, zusammengetan. um die Methodik zu beweisen, die es Forschern ermöglicht, kleine molekulare Strukturen sichtbar zu machen und aktuelle Bildgebungstechniken zu beschleunigen.

Weitere Co-Autoren sind die Doktorandin Sang Hyun Bae und die Studenten Patrick Carmichael und Amanda Loutris. Ihre von Experten begutachtete Forschung wurde kürzlich in Nano Letters veröffentlicht.

Die Bemühungen des Teams enthüllen die atomare Struktur des Moleküls und ermöglichen es den Forschern, zu verstehen, wie es reagiert, seine chemischen Prozesse zu erlernen und zu sehen, wie seine chemischen Verbindungen synthetisiert werden.

„Die Struktur eines Moleküls ist für seine Funktion so grundlegend“, sagte Huang. „Was wir in unserer Arbeit getan haben, ist es, diese Struktur direkt sichtbar zu machen.“

Die Fähigkeit, die Struktur eines kleinen Moleküls zu erkennen, ist von entscheidender Bedeutung. Kharel verdeutlicht, wie wichtig es ist, indem er das Beispiel eines Medikaments namens Thalidomid nennt.

Thalidomid wurde in den 60er Jahren entdeckt und schwangeren Frauen zur Behandlung der morgendlichen Übelkeit verschrieben. Später stellte sich heraus, dass es schwere Geburtsfehler oder in einigen Fällen sogar den Tod verursachte.

Was schief gelaufen ist? Das Medikament hatte gemischte molekulare Strukturen, von denen eine für die Behandlung der morgendlichen Übelkeit verantwortlich war und die andere unglücklicherweise verheerende, nachteilige Auswirkungen auf den Fötus hatte.

Der Bedarf an proaktiver und nicht reaktiver Wissenschaft hat Huang und ihre Studenten dazu gedrängt, diese Forschungsbemühungen fortzusetzen, die ursprünglich aus purer Neugier begannen.

„Es ist so wichtig, die Strukturen dieser Moleküle genau zu bestimmen“, sagte Kharel.

Typischerweise werden molekulare Strukturen mit indirekten Techniken bestimmt, einem zeitaufwändigen und schwierigen Ansatz, der Kernspinresonanz oder Röntgenbeugung nutzt. Schlimmer noch, indirekte Methoden können zu falschen Strukturen führen, die Wissenschaftlern über Jahrzehnte hinweg ein falsches Verständnis über den Aufbau eines Moleküls vermitteln. Die Mehrdeutigkeit der Strukturen kleiner Moleküle könnte durch den Einsatz direkter Bildgebungsmethoden beseitigt werden.

Im letzten Jahrzehnt hat Huang erhebliche Fortschritte in der Technologie der kryogenen Elektronenmikroskopie erzielt, bei der Biologen große Moleküle einfrieren, um hochwertige Bilder ihrer Strukturen aufzunehmen.

„Die Frage, die ich hatte, war: Was hält sie davon ab, dasselbe für kleine Moleküle zu tun?“ sagte Huang. „Wenn wir das könnten, könnten wir vielleicht die Struktur aufklären (und) herausfinden, wie man eine natürliche Verbindung synthetisiert, die eine Pflanze oder ein Tier herstellt. Das könnte sich als wirklich wichtig erweisen, wie ein großartiger Krankheitsbekämpfer.“ sagte Huang.

Die Herausforderung besteht darin, dass kleine Moleküle oft 100 oder sogar 1.000 Mal kleiner sind als große Moleküle, was es schwierig macht, ihre Strukturen zu erkennen.

Entschlossen begannen Huangs Studenten, die bestehende Methodik für große Moleküle als Ausgangspunkt für die Entwicklung bildgebender Verfahren zu nutzen, um die Strukturen der kleinen Moleküle sichtbar zu machen.

Im Gegensatz zu großen Molekülen werden die Bildsignale kleiner Moleküle leicht von ihrer Umgebung überlagert. Anstatt Eis zu verwenden, das normalerweise als Schutzschicht vor der rauen Umgebung des Elektronenmikroskops dient, entwickelte das Team einen anderen Plan, um die Strukturen der kleinen Moleküle intakt zu halten.

Wie kann man die Umgebung eines Moleküls temperieren? Durch die Verwendung von Graphen.

Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die ein dichtes, sechseckiges Wabengitter bilden, zerstreut schädliche Reaktionen während der Bildgebung.

Die Stabilisierung der Umgebung des kleinen Moleküls war nur ein Problem, mit dem sich die Forscher aus Illinois befassen mussten. Das Team musste außerdem den Einsatz von Elektronen zur Beleuchtung der Moleküle auf ein Millionstel der normalerweise verwendeten Anzahl beschränken.

Geringe Elektronendosen sorgen dafür, dass sich die Moleküle noch so weit bewegen, dass die Forscher ein Bild aufnehmen können.

„Ich denke gerne darüber nach, dass das Molekül nicht gerne von Elektronen mit höherer Energie bombardiert wird, aber wir müssen das tun, um die Struktur sehen zu können, und Graphen hilft, einen Teil dieser Ladung von der Struktur abzuleiten.“ Molekül, so dass wir tatsächlich ein schönes Bild davon bekommen können“, sagte Janicek.

Leider waren die Moleküle nach der Aufnahme im Bild nahezu unsichtbar.

„Wenn sie ein Bild mit niedriger Dosis aufnehmen, sieht es zunächst wie Rauschen oder statisches Rauschen im Fernsehen aus – fast so, als wäre nichts da“, sagte Huang.

Der Trick bestand darin, die atomaren Strukturen mithilfe einer Fourier-Transformation – einer mathematischen Funktion, die das Bild des kleinen Moleküls zerlegt – aus diesem Rauschen zu isolieren, um seine räumliche Frequenz zu ermitteln.

„Wir haben Bilder von Hunderttausenden Molekülen aufgenommen und sie zu einem einzigen, klaren Bild zusammengefügt“, sagte Kharel.

Dieser Mittelungsansatz ermöglichte es dem Team, scharfe Bilder der Atome der Moleküle zu erstellen, ohne die Integrität eines einzelnen Moleküls zu beeinträchtigen.

„Monat für Monat, Woche für Woche verbesserte sich unsere Lösung“, sagte Huang. „Und dann kamen meine Studenten eines Tages herein und zeigten mir die einzelnen Kohlenstoffatome – das ist eine große Leistung. Und natürlich ist es das Ergebnis all dieser umfassenden Kenntnisse, die sie gewonnen haben, um ein bildgebendes Experiment zu entwerfen und herauszufinden, wie man daraus Daten gewinnen kann.“ sieht nach nichts aus.“

Diese kollektive Entdeckung ebnet den Weg für viele weitere Erkenntnisse zur Strukturbildgebung von Molekülen.

„Es gab dieses ganze Feld kleiner Moleküle, die sozusagen in der Kälte gelassen wurden. Wir werfen ein Licht darauf, wie wir als Feld dorthin gelangen? Wie machen wir dieses Ding, das für uns gerade ist.“ so schwer?" sagte Huang. „Eines Tages wird es nicht mehr so ​​sein – das ist die Hoffnung.“

Die Bemühungen der Forscher aus Illinois sind der erste große Schritt auf dem Weg zur Verwirklichung dieses Traums.

„Eines Tages werden wir auf diese Weise die Struktur eines kleinen Moleküls entschlüsseln“, sagte Huang. „Die Leute werfen das Molekül einfach ins Elektronenmikroskop, machen ein Foto und fertig.“

Dieser Traum inspiriert Huang und ihr Team aus Illinois, den Kurs beizubehalten.

„Das kann lebensverändernd sein, und wir haben dafür gesorgt, dass es existiert“, sagte Huang. „Wir haben es noch nicht einfach gemacht, aber bildgebende Verfahren wie diese werden so viel in Wissenschaft und Technologie verändern.“

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