Un nuovo modo per prevedere l'esito delle reazioni potrebbe portare a una scoperta più rapida di nuovi materiali anche per il rilevamento, catalisi, e consegna del farmaco.

Gli enzimi eseguono processi chimici e biologici essenziali portando le biomolecole nelle cavità all'interno delle loro strutture e facilitando importanti reazioni. I chimici hanno tentato di emularlo con "gabbie molecolari", strutture chimiche che contengono cavità che possono legare molecole più piccole all'interno, chiamati "ospiti".

Queste gabbie molecolari hanno il potenziale per agire come imitatori di enzimi artificiali e hanno dimostrato di accelerare importanti reazioni come l'idrolisi dei legami ammidici, degradazione delle tossine e una serie di trasformazioni chimiche. Il miglioramento di queste reazioni potrebbe un giorno guidare lo sviluppo di nuove tecnologie in aree come il rilevamento chimico.

Però, può essere difficile per i ricercatori progettare strutture che saranno utili oltre che sintetizzate con successo in laboratorio. Ora, i ricercatori del Dipartimento di Chimica dell'Imperial College di Londra hanno utilizzato un approccio computerizzato per prevedere con alta precisione i risultati delle reazioni di costruzione della gabbia.

Ciò aiuterà i chimici a selezionare i mattoni ideali per preparare le gabbie con strutture e proprietà desiderabili prima di provare a sintetizzarli in laboratorio, minimizzare le sperimentazioni infruttuose. Lo studio è pubblicato oggi in Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Nuovi elementi costitutivi

Attualmente, per semplificarne la sintesi, la maggior parte delle gabbie e le loro cavità sono altamente simmetriche. Però, questo limita la progettazione di gabbie per potenziali molecole ospiti. Ciò contrasta con la capacità degli enzimi naturali di essere altamente selettivi in ​​cui le molecole possono legarsi ad essi.

I ricercatori dell'Imperial stanno sviluppando modi per assemblare gabbie con simmetria inferiore, consentendo forme di cavità più specifiche per l'ospite, utilizzando componenti più complessi nella loro costruzione. Utilizzando blocchi di costruzione asimmetrici, È possibile creare gabbie "stravaganti" con interessanti forme di cavità.

Però, i blocchi di costruzione asimmetrici sono più difficili da creare perché i risultati delle reazioni di "autoassemblaggio" necessarie per costruirli sono più difficili da prevedere. Le reazioni fallite possono portare alla formazione di una molecola indesiderabile, o anche una miscela di prodotti, piuttosto che la singola struttura di destinazione.

Tutto ciò significa che la costruzione di nuove gabbie può essere un processo lungo e costoso per tentativi ed errori, con tanta fatica sprecata.

Il nuovo approccio invece analizza modelli computazionali di potenziali gabbie per fare previsioni sul loro autoassemblaggio. Le previsioni utilizzano l'energia e la geometria delle gabbie costruite computazionalmente e sono buone guide per stabilire se un processo di autoassemblaggio porterà a una singola struttura. Queste informazioni possono quindi essere utilizzate per selezionare le molecole della gabbia bersaglio da preparare in laboratorio.

Il coautore dello studio Dr. Jamie Lewis, dal Dipartimento di Chimica dell'Imperial, detto che "in precedenza, dovevamo solo entrare in laboratorio e provare molte cose finché qualcosa non funzionava. Ora possiamo eseguire alcuni calcoli veloci, identificare le gabbie con proprietà utili, ed essere fiduciosi che possiamo sintetizzarli senza problemi."

Potere di previsione

Il team ha utilizzato un software chiamato stk, precedentemente sviluppato presso Imperial, per costruire i modelli computazionali. Oltre ad avere un grande potere di previsione, i calcoli sono anche molto rapidi, impiegando solo poche ore su un comune PC desktop.

Autore principale dello studio Dr. Andrew Tarzia, dal Dipartimento di Chimica dell'Imperial, ha affermato che "l'efficienza del nostro approccio è la chiave perché ci consente di testare su un computer molti più elementi costitutivi in ​​una settimana rispetto a quelli che potrebbero essere testati in laboratorio e anche con più diversità".

Sulla base dei dati computazionali, il team ha selezionato una serie di elementi costitutivi da sintetizzare in laboratorio. Hanno scoperto che l'approccio prevedeva con successo i risultati sperimentali del processo di autoassemblaggio.

Ciò ha permesso loro di preparare diverse nuove "gabbie stravaganti" a bassa simmetria che non erano mai state sintetizzate prima, e verificato l'utilità dei calcoli per prevedere quali molecole si sarebbero formate.

Il team sta ora continuando a sviluppare e migliorare questo approccio all'informazione computazionale, sintesi efficiente per accedere a nuove gabbie molecolari. Con la capacità di prevedere rapidamente quali gabbie possono essere prontamente preparate in laboratorio, sperano di usarlo per creare nuovi materiali con un'ampia gamma di applicazioni nel rilevamento, catalisi, stoccaggio del gas e consegna di farmaci.