Michael Martynowycz, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Tamir Gonen, raffredda un campione con azoto liquido in preparazione per un esperimento MicroED che rivelerà la struttura molecolare del campione. Credito:Tamir Gonen
Il lavoro che in precedenza avrebbe potuto richiedere mesi ai chimici può ora essere svolto in pochi minuti.
Utilizzando una tecnica chiamata diffrazione elettronica da microcristalli, o MicroED, gli scienziati hanno bisogno solo di 30 minuti e di una minuscola quantità di campione per identificare piccole molecole e determinarne le strutture. Un accesso così facile a informazioni altamente dettagliate potrebbe rivoluzionare il modo in cui i chimici, scienziati forensi, e coloro che sono coinvolti nel lavoro di scoperta di farmaci, dice Tamir Gonen, investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute (HHMI).
La tecnica utilizza un microscopio crioelettronico standard e potrebbe diventare la procedura di riferimento degli scienziati per identificare qualsiasi cosa, dai prodotti delle reazioni chimiche di routine alle polveri sconosciute sulla scena del crimine, lui dice. "Ora i chimici possono effettivamente prendere le polveri direttamente da una reazione, applicarli a una griglia di esempio, e ottenere strutture molecolari ad alta risoluzione lo stesso giorno."
Il team di Gonen ha pubblicato le strutture di 11 piccole molecole, determinato da MicroED, 2 novembre 2018 sulla rivista Scienze Centrali ACS . Il documento si basa sul lavoro sulla struttura di piccole molecole che gli scienziati hanno pubblicato all'inizio di quest'anno e dimostra la portata della tecnologia MicroED, dice Gonen.
Il laboratorio di Gonen ha utilizzato MicroED per ottenere rapidamente la struttura del progesterone in polvere. Primo, hanno messo progesterone finemente macinato (a sinistra) su una griglia di campioni. Piccoli cristalli possono essere visti in una vista ingrandita della griglia (centro sinistra). I fasci di elettroni si disperdono contro i cristalli, creazione di modelli di diffrazione (centro destra). L'elaborazione dei dati rivela una struttura molto dettagliata (a destra). Credito:C.G. Jones et al./ Scienze Centrali ACS 2018
Dalla polvere alla struttura
L'idea di Gonen per l'attuale progetto è venuta a pranzo con il chimico dell'UCLA Hosea Nelson. Gonen gli ha detto che, nello sviluppo iniziale di MicroED, il suo laboratorio aveva determinato la struttura di una piccola molecola organica. Nelson, il cui lavoro di chimico ruota attorno a piccole molecole, "Non poteva credermi quando gli ho detto che era abbastanza semplice, " Dice Gonen. Quindi i due si sono uniti e hanno deciso di vedere quanto MicroED fosse generalmente applicabile alla chimica e di allertare la comunità chimica di questa tecnologia.
Cominciando con un barattolo di polvere di progesterone, hanno schiacciato una piccola quantità e l'hanno depositata su una griglia di campioni. Quindi, l'hanno raffreddato a -196 gradi Celsius, lo trasferì in un microscopio crioelettronico, e ha iniziato a raccogliere dati. Sono passati meno di 30 minuti dall'apertura del barattolo alla visione della struttura del progesterone, dice Gonen. Il suo team ha testato altre otto polveri commerciali e ha ottenuto risultati simili, anche dopo averne mescolati più di uno.
Sapendo che le polveri erano state probabilmente tutte cristallizzate durante la produzione, il team voleva testare composti che erano invece di nuova sintesi, e non cristallizzato dagli scienziati. Hanno mescolato quattro di questi composti, li ha separati tramite una comune tecnica di purificazione, e li ha analizzati da MicroED. La tecnica ha prodotto strutture per due dei quattro composti, che aveva formato cristalli spontaneamente. Gonen crede che gli altri due avrebbero potuto funzionare se il team avesse cercato di cristallizzarli prima.
Gonen non vede la cristallografia a raggi X o altri metodi di identificazione della struttura scomparire presto. Alcuni campioni saranno più suscettibili di un metodo rispetto a un altro, e le informazioni fornite da ciascun metodo variano in modi utili, lui dice. Ma ora, la capacità naturale di piccole molecole di formare cristalli può essere sfruttata dai chimici in un modo che prima non era possibile.
"Questo è un perfetto esempio di ciò che accade quando due campi che normalmente non parlano tra loro si uniscono e si impollinano in modo incrociato, " dice Gone.
