I ricercatori stanno scattando istantanee di reazioni chimiche in un trilionesimo di secondo nella speranza di sviluppare la prossima generazione di antibiotici e farmaci antivirali.

Utilizzando la tecnologia laser all'avanguardia, scienziati dell'Università di Cardiff e del Rosalind Franklin Institute stanno creando "filmati di fermo immagine" di reazioni chimiche, con un ruolo da protagonista per un enzima specifico che potrebbe essere utilizzato per realizzare nuovi farmaci attivi contro i virus, come il COVID-19.

La tecnologia consentirà al team di osservare la chimica che avviene all'interno di un enzima per periodi di tempo molto brevi, che consentirà agli scienziati di comprendere come la struttura delle proteine ​​consente lo svolgimento della reazione chimica.

Queste informazioni saranno essenziali per gli sforzi del team di riprogettare l'enzima in modo che possa essere utilizzato per produrre composti con proprietà antivirali in modo rapido ed efficiente.

Per realizzare questo, stanno sfruttando le potenti capacità di un laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) situato ad Amburgo, Germania.

L'XFEL può essere utilizzato per ottenere immagini di reazioni enzimatiche nei cristalli sparando impulsi a raggi X della durata di un femtosecondo, un quadrilionesimo di secondo. I legami tra i singoli atomi impiegano circa 10 femtosecondi per formarsi durante le reazioni chimiche, il che significa che l'XFEL dovrebbe essere in grado di scattare istantanee delle strutture mentre prendono forma all'interno dell'enzima.

Rendere questo una realtà, però, è un'impresa tecnicamente impegnativa che non è stata segnalata per la classe di enzimi studiata dal team.

Il team presterà particolare attenzione a un enzima presente in Streptomyces, batteri che comunemente vivono nel suolo e nella vegetazione in decomposizione e che sono responsabili della produzione di oltre i due terzi degli antibiotici clinicamente utili presenti in natura.

Questo enzima facilita la costruzione di un legame tra due atomi di carbonio, una reazione descritta dai ricercatori come "la chimica della vita nella sua forma più elementare".

Comprendere questa reazione di formazione del legame carbonio-carbonio è importante perché si trova nei nucleosidi C, una particolare classe di molecole che sono candidati estremamente promettenti per futuri farmaci antivirali. Un esempio di un nucleoside C è remdesivir, sviluppato da Gilead Sciences, Inc., che è attualmente in fase di sperimentazione in tutto il mondo come potenziale trattamento per COVID-19.

"Stiamo essenzialmente creando un filmato fermo immagine di chimica in azione, ", ha affermato il ricercatore co-responsabile del progetto, il professor Nigel Richards della School of Chemistry dell'Università di Cardiff. "I legami chimici si formano e si rompono in periodi di tempo molto brevi, troppo veloce per essere visto usando altre tecniche. La nuova tecnologia XFEL offre una soluzione a questo problema per le reazioni chimiche catalizzate da enzimi."

"Questa tecnologia all'avanguardia ci consentirà di studiare reazioni biochimicamente importanti come non siamo mai stati in grado di fare prima, aprendo una serie di nuove possibilità per la scoperta e lo sviluppo di farmaci.

"I nostri esperimenti rivoluzionari probabilmente cambieranno il modo in cui pensiamo alle reazioni chimiche che avvengono all'interno degli enzimi, una grande sfida della chimica, biochimica e biologia. Questo a sua volta ci consentirà di progettare librerie di enzimi simili che possono essere utilizzati per creare potenziali composti antibiotici e antivirali, facilitare il processo di scoperta dei farmaci".

"I C-nucleosidi sono molecole del futuro nella scoperta di farmaci, " ha continuato il professor Richards. "Questi composti sono già ampiamente utilizzati in natura per uccidere batteri e virus".

"Essere in grado di utilizzare un enzima per creare il legame chiave carbonio-carbonio dei nucleosidi C in laboratorio ci consentirà di costruire una varietà di nuovi composti che possono essere valutati come potenziali farmaci, " Egli ha detto.