IBM и Абердинский университет сотрудничают в идентификации молекул органических соединений из морских глубин / Видео

Отчет с результатами и выводами проекта был опубликован в онлайновом выпуске от 1 августа химического научного журнала Nature Chemistry, статьи которого всегда проходят экспертную оценку.

В прошлом году ученые из Центра морских биологических исследований (Marine Biodiscovery Centre) Абердинского университета (University of Aberdeen) приступили к работе над видами бактерий, содержавшихся в образце раствора* морской воды из Марианской впадины – самого глубокого места на планете (10916 метров или 35814 футов), расположенного в Тихом океане. Этот стойкий к гигантским давлениям глубоководный вид бактерий, получивший название Dermacoccus abyssi, выделяет химическое соединение, которое ученым не удавалось идентифицировать.

Используя методику бесконтактной атомно-силовой микроскопии, исследователи из IBM Research смогли в течение всего одной недели получить изображения отдельных молекул с «атомарной» разрешающей способностью. Благодаря этим изображениям вместе с теоретическими расчетами функционала плотности, было подтверждено, что данным веществом является уже известное органическое соединение Цефаландол А (cephalandole A), ранее обнаруженное в тайваньских орхидеях.

«Получение уникальных химических соединений из самых труднодоступных мест на Земле и определение состава этих соединений может быть чрезвычайно трудоемким и длительным процессом, — пояснил Лео Гросс, ученый из исследовательского центра IBM Research - Zurich. — Этот метод демонстрирует, что применение микроскопов со сканирующим зондом для определения молекулярной структуры может дать огромный выигрыш в функциональности и скорости, недостижимый традиционными методами».

Данный эксперимент был первым успешным применением атомно-силового микроскопа для определения неизвестной (на тот момент) молекулярной структуры химического соединения.

«Природная среда Земли богата разнообразием уникальных организмов, из которых может быть получено огромное множество различных химических соединений, целый ряд которых еще полностью неизвестен науке, — подчеркнул профессор Марсель Джаспарс (Marcel Jaspars), директор Центра морских биологических исследований при Абердинском университете. — Эти соединения могут быть с успехом использованы в разработке новых фармацевтических препаратов и других биомедицинских продуктов. Однако, для того, чтобы реально использовать этот потенциал, мы сначала должны изучить молекулярную структуру этих соединений, чтобы точно определить, подходят ли они для применения в медицине».

За сотни лет исследований ученые пришли к убеждению, что в природной среде, в том числе в океане и пустынях, содержится в виде химических соединений многообразие уникальных ресурсов, которые обладают огромным потенциалом для использования в медицинских разработках. 

Опираясь на это многолетнее знание человечества, ученые из Центра морских биологических исследований при Абердинском университете сконцентрировали свои научные усилия, в частности, на аспектах использования морских микроорганизмов в качестве источника для изучения состава химических соединений, которые могут потенциально применяться в разработках новых методов лечения раковых, воспалительных, инфекционных и паразитарных заболеваний.

Используя масс-спектрометрию высокого разрешения, ученые Адердинского университета быстро определили химический состав соединения, однако установить его точную молекулярную структуру оказалось куда более сложной задачей. Даже применение современных методов ядерного магнитного резонанса не позволило им определить точную молекулярную структуру из-за небольшого количества протонов, а также из-за специфического расположения определенных атомов в соединении.

В результате, перед учеными встала дилемма выбора из четырех вероятных структур, каждую из которых нельзя было исключить только с помощью данных ядерного магнитного резонанса. Единственной возможностью установить точную молекулярную структуру соединения оставался химический синтез предполагаемых структур, что является чрезвычайно сложной задачей, на которую может потребоваться до нескольких месяцев.

«Определение молекулярной структуры неизвестного соединения является весьма трудоемким и длительным процессом, на который могут уйти месяцы, тогда как возможность «рассмотреть» молекулярную структуру химического соединения через микроскоп – это не только революционный, но еще и очень быстрый метод. Этот новый подход может помочь быстро идентифицировать неизвестные соединения и значительно ускорить разработку новых медикаментов», — добавил профессор Джаспарс.

 Новации в биомедицине из морских глубин

Природа предоставляет огромное разнообразие небольших молекул и соединений с большим потенциалом фармакологического применения. Эти природные продукты служат важным источником открытий новых лекарственных средств, поскольку обладают уникальным химическим составом и мощными биологическими свойствами. Исследования Национального института проблем онкологических заболеваний (National Cancer Institute) в США показали, что морская среда – и, в особенности, отдаленные и незатронутые деятельностью человека зоны – является важнейшим источником новых, неисследованных биологически активных соединений. 

Определение структуры органических молекул обычно осуществляется с помощью спектроскопических методов, таких как масс-спектрометрия, которая описывает молекулярную формулу, и спектроскопия на основе ядерного магнитного резонанса (nuclear magnetic resonance, NMR), которая сродни методу магниторезонансной визуализации (magnetic resonance imaging, MRI). Каждый атом углерода и водорода в молекуле обладает определенной частотой в NMR-спектре. Используя сложные вариации этих методик, можно определить то, как связаны между собой атомы водорода и углерода, и, в итоге, описать модель молекулярной структуры. Тем не менее, когда в молекуле очень мало атомов водорода (как имело место в данном случае), эти методики не дают однозначного решения, а это означает, что для окончательного решения проблемы нужны другие методы.

Получение изображений «анатомии» молекулы

Атомно-силовой микроскоп использует тончайший щуп на миниатюрной пружине для измерения сверхмалых сил, действующих между щупом и образцом (в данном случае, молекулой), формируя изображение. Для того чтобы отобразить химическую структуру молекулы с помощью AFM-микроскопа, необходимо оперировать щупом в непосредственной близости от молекулы – на расстояниях менее нанометра, когда химические взаимодействия уже начинают оказывать значимое влияние на эти силы. Стремясь достичь нужного расстояния и, в то же время, избежать «прилипания» молекулы к щупу, ученые увеличили чувствительность щупа, связав с его острием одну молекулу монооксида углерода (CO). Когда такой щуп приближался к образцу на требуемое близкое расстояние, он начинал воспринимать небольшую отталкивающую силу. Таким образом, щуп с молекулой монооксида углерода на острие способен «различать» отдельные атомы в составе исследуемой молекулы, воспроизводя ее химическую структуру на атомарном уровне.

IBM и нанотехнологии

Ученые всегда стремились «визуально контролировать» и манипулировать атомами и молекулами, чтобы расширить человеческие знания и реализовать производственные возможности на нанометровом уровне. IBM является пионером в области нанонауки и нанотехнологий, которые родились вместе с разработкой Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) сканирующего туннельного микроскопа (STM) в лаборатории IBM Zurich Research Lab в 1981 году. За это изобретение, которое сделало возможным визуализацию отдельных атомов, Герд Бинниг и Генрих Рорер получили в 1986 году Нобелевскую премию по физике. Атомно-силовой микроскоп (AFM), «потомок» сканирующего туннельного микроскопа STM, был разработан Биннигом в том же 1986 году. Микроскоп STM широко признан в мире как инструмент, открывший дорогу в наномир. В 2011 году на территории научного центра IBM Research в Цюрихе будет открыта новая исследовательская лаборатория мирового класса под названием Nanoscale Exploratory Research Laboratory, деятельность которой будет охватывать как фундаментальные исследования, так и прикладные разработки в области нанотехнологий. Эта инициатива станет частью стратегического научного партнерства IBM и Федеральной политехнической школы Цюриха (ETH Zurich), одного из ведущих технических университетов Европы.

Научная статья "Organic structure determination using atomic-resolution scanning probe microscopy" («Определение органической структуры с помощью сканирующей зондовой микроскопии атомарного разрешения»), подготовленная группой авторов в составе Л. Гросса (L. Gross), Ф. Мона (F. Mohn), Н. Молла (N. Moll), Г. Мейера (G. Meyer), Р. Эбеля (R. Ebel), У.М. Абдель-Магида (W. M. Abdel-Mageed) и М. Джаспарса (M. Jaspars), опубликована в онлайновой версии научного журнала Nature Chemistry от 1 августа 2010 г. (DOI: 10.1038/NCHEM.765).

* Оригинальные образцы, предоставленные профессором Коки Хорикоши (Koki Horikoshi) из Японии, получены с использованием автоматического глубоководного аппарата Kaiko.