Ein neues Verfahren zur Bestimmung der molekularen Aggregation

16.01.2019 - Hong Kong

Chirale Moleküle sind definiert als Moleküle, die auf ihrem Spiegelbild nicht überlagerbar sind, ähnlich wie die der linken und rechten menschlichen Knochenstruktur. Es gibt viele Beispiele für chirale Moleküle in der Natur, darunter Proteine und Desoxyribonukleinsäure (DNA). Die dynamischen Prozesse dieser chiralen Moleküle sind für das Verständnis ihrer biologischen Aktivität von großer Bedeutung. Tatsächlich ist die Proteinaggregation mit vielen pathologischen Erkrankungen verbunden, darunter die Alzheimer-Krankheit, die durch den zeitlichen Aufbau von beta-Amyloidfragmenten im Gehirn verursacht wird. Daher ist es wichtig, solche (chiralen) molekularen Aggregationen und Konformationen im Laufe der Zeit zu verstehen und zu beobachten.

The Hong Kong University of Science and Technology

Derzeit verfügbare Optionen für die Analyse der molekularen Konformation sind die Elektronenmikroskopie und die Kernmagnetresonanzspektroskopie (NMR). Beide Verfahren erfordern eine Probenextraktion unter rauen Bedingungen, ein zeitaufwendiger Prozess, der die molekulare Konformation der Probe beeinträchtigen kann. Die zweite Einschränkung dieser Methoden besteht darin, dass das Endergebnis nur die Konformität der Verbindung zu einem bestimmten Zeitpunkt liefert.

Diese neue Methode beinhaltet den Aneinanderreihungseffekt des zirkulären Dichroismus (AACD) und ein gut untersuchtes chirales Molekül namens 1,1'-Binapthylderivate (BN). Es wurde beobachtet, dass die CD-Signale der BN vernichtet wurden, nachdem BN-Aggregate gebildet wurden, wahrscheinlich aufgrund der Konformationsänderung der 1,1'-Binapthylgruppe während des Aggregationsprozesses.

In ihrer Arbeit wurden vier BN-basierte chirale Moleküle (P-1 bis P-4) durch einfache Suzuki-Kupplungsreaktionen synthetisiert. Polymere mit den "offenen" BN-Einheiten zeigten deutliche Anzeichen von aggregiertem, anihilatiertem chiralen Dichroismus (AACD). Wenn die BN-Einheiten gesperrt wurden, wird die Vernichtung eingedämmt. Die Polymere wurden zunächst in einem organischen Lösungsmittel, Tetrahydrofuran (THF), gelöst. Im zweiten Schritt wurde der Lösung nach und nach Wasser, ein schlechtes Lösungsmittel für die Polymere, zugesetzt, was zur Aggregatbildung führte. CD-Spektren der verschiedenen Polymere wurden an verschiedenen Wasserfraktionen aufgenommen und analysiert. Diese Methodik ermöglichte es den Forschern, den molekularen Aggregationsprozess in Echtzeit zu analysieren.

Eine molekulardynamische (MD) Simulation der Polymere wurde in THF und Wasser durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen CD-Annihilation und Konformationsänderung weiter zu untersuchen. Dieses Modell zeigte, dass offenes P-1 eine breite Verteilung des Öffnungswinkels θ zeigte, während verriegelte P-3 eine enge Verteilung zeigte. Von der Lösung bis zum Aggregat wird θ in offenen Polymeren (P-1 und P-2) negativer und ein Teil der Konformatoren entspannt sich von cisoid zu transoid. Der Öffnungswinkel in gebundenen Polymeren (P-3 und P-4) nimmt leicht zu und die cisoidale Konformation bleibt während des Aggregationsprozesses erhalten.

"Die Kombination aus MD-Simulation und Analyse der Änderung der CD-Koppelintensität und der Wellenlängenaufteilung während des Aggregationsprozesses ist somit eine attraktive Methode zur in-situ- und Echtzeit-Überwachung der Konformationsänderung", sagt HKUSTs Prof. Ben-Zhong TANG, der diese Forschung leitete.

"Dies ist eine viel billigere, einfachere Methode zur Überwachung von Konformationsänderungen in chiralen Makromolekülen, da wir diese Methode anwenden können, um viele biologische Prozesse leichter zu verstehen", sagte Dr. Haoke ZHANG, Co-Autor des Papiers.

Originalveröffentlichung

Haoke Zhang, Xiaoyan Zheng, Ryan T. K. Kwok, Jia Wang, Nelson L. C. Leung, Lin Shi, Jing Zhi Sun, Zhiyong Tang, Jacky W. Y. Lam, Anjun Qin & Ben Zhong Tang; "In situ monitoring of molecular aggregation using circular dichroism"; Nature Comm.; 2018

https://www.chemie.de/news/158915/ein-neues-verfahren-zur-bestimmung-der-molekularen-aggregation.html