Imágenes de explosión de Coulomb como herramienta para distinguir entre los estereoisómeros
18 de agosto de 2017
Para pequeñas especies quirales, imágenes de explosión de Coulomb proporciona un nuevo enfoque para determinar el uso de las manos de moléculas individuales.
El objetivo general de este experimento consiste en utilizar la explosión coulómbica para obtener imágenes de la quiralidad de moléculas individuales en fase gaseosa. Este método representa un enfoque novedoso para abordar preguntas importantes en estereoquímica. En particular, permite determinar la configuración absoluta de especies quirales pequeñas y sus dinámicas inducidas por luz.
La principal ventaja de esta técnica es que se puede registrar en coincidencia la energía y la dirección de emisión de todos los fragmentos cargados procedentes de la ruptura molecular. Hemos desarrollado esta técnica de imagen multicoincidencia durante un período de más de 25 años para conocer mejor y medir los secretos de la estereoquímica basándonos en moléculas individuales. El corazón del experimento es un montaje para la imagen coincidente de iones y un láser de femtosegundos, como este aparato COLTRIMS.
El haz láser de femtosegundos entra desde una habitación adyacente. En esta animación se muestra lo básico de la técnica COLTRIMS. Un haz molecular entra en la cámara de vacío a través de una boquilla y un colimador.
Un haz láser cruza el haz molecular en ángulo recto y provoca la ionización y la posterior fragmentación. El campo eléctrico en el espectrómetro dirige los iones hacia el detector, donde se registran los tiempos y las posiciones de sus impactos. Prepare el montaje para su funcionamiento y verifique el vacío en la cámara de interacción.
La presión debe ser inferior a 10 elevado a menos nueve hectopascal. Con el láser encendido y a baja intensidad, realice el alineamiento del haz. Asegúrese de que el haz entre en la cámara del experimento y se refleje en el espejo de enfoque de la cámara.
Utilice una tarjeta de haz para verificar que los haces entrante y saliente coincidan espacialmente. Bloquee el haz láser antes de continuar. Prepárese para encender las fuentes de alimentación del espectrómetro y del detector.
Primero, apague los medidores de vacío en la cámara de interacción. A continuación, conecte la salida de señal amplificada de las placas de microcanales a un osciloscopio rápido. Ahora encienda las fuentes de alimentación de alto voltaje para el detector y el campo eléctrico en el espectrómetro.
Regrese al trabajo con el haz láser primero desbloqueándolo. Tenga listo un filtro de polarización rotatorio para ajustar la intensidad del haz. Coloque un medidor de potencia en el haz justo antes de la cámara y utilice el filtro para ajustar la intensidad del haz a menos de 10 a la 14ª potencia vatios por centímetro cuadrado.
Para esta configuración, esto corresponde a 100 milivatios en el medidor de potencia. Retire el medidor de potencia y observe la traza del osciloscopio. Es fundamental verificar la calidad de la señal y los ajustes del detector.
Si se registra demasiado ruido, es muy difícil encontrar las coincidencias reales. La frecuencia de la señal debe ser aproximadamente el 5 % de la frecuencia de repetición del láser. La señal debe tener un solo pico de varios cientos de milivoltios sin ningún tipo de oscilación residual.
El ancho de las señales procedentes de la placa de microcanales no debe superar los 10 nanosegundos. Ahora pase al software de adquisición de datos. Allí, muestre una imagen del detector, que debe ser un círculo con un punto difuso en su centro debido al láser.
En este momento, suministre un bar de argón proveniente de un cilindro de gas como fuente para el chorro de gas. Observe la imagen del detector en tiempo real en el software de adquisición de datos mientras ajusta el espejo de enfoque. Si aparece un punto estrecho, se ha localizado la superposición entre el chorro molecular y el haz láser.
El objetivo consiste en maximizar la superposición del haz de chorro y aumentar los conteos en el punto del chorro. Después de optimizar la superposición del haz de chorro, prepare la muestra para su uso en el experimento. Esta muestra ya se encuentra en un cilindro que es compatible con el montaje.
Primero, enfríe el cilindro en nitrógeno líquido durante uno o dos minutos para evitar pérdidas de muestra. Conecte el cilindro enfriado al sistema de chorro y apriete la conexión para hacerla hermética al vacío. A continuación, abra la válvula para bombear el sistema durante unos segundos y eliminar el aire.
Espere a que la muestra regrese a la temperatura ambiente antes de abrir la válvula hacia la boquilla de chorro. La presión en la cámara de origen debe aumentar. Regrese al software de adquisición de datos.
En el ordenador, verifique que aún sea visible un punto de chorro y determine los picos más prominentes en el espectro de tiempo de vuelo. Continúe trabajando en el software de adquisición de datos. Para el análisis, realice un gráfico utilizando el tiempo de vuelo del primer ion detectado en el eje x y el tiempo de vuelo del segundo ion detectado en el eje y.
Cuando se detectan dos fragmentos en coincidencia, aparecen como regiones con muchos conteos. Si dos fragmentos suman la masa del ion padre, cumplen la conservación del momento y aparecen como líneas diagonales nítidas. Realice un análisis de tiempo de vuelo de cuatro partículas mediante una gráfica creada sumando los tiempos de vuelo para el primer y segundo impacto, que se utilizarán como valor del eje x, y sumando los tiempos de vuelo para el tercer y cuarto impacto, que se utilizarán como valor del eje y.
Las posiciones y formas de las estructuras resultantes revelan información sobre las masas y los momentos. Ajuste la potencia del láser de modo que el número de cuentas en el espectro se optimice. Al optimizar la tasa para la disociación relevante, debemos tener en cuenta que la tasa global no debe exceder el 10 % de la frecuencia de repetición del láser para evitar coincidencias falsas.
Estos datos provienen de una mezcla racémica sintética de bromoclorofluorometano. Solo se muestran los eventos en los que se registró una fragmentación en cinco iones con carga sencilla. El eje horizontal se calcula utilizando un producto triple de los vectores de momento de los iones de halógeno.
El enantiómero S se encuentra a la izquierda del histograma. El diagrama ilustra sus datos angulares asociados. El enantiómero R se encuentra a la derecha del histograma, junto con un diagrama que ilustra su ángulo.
La frecuencia de repetición del láser fue de 100 kilohercios y la medición tomó aproximadamente 11 horas. Esta animación demuestra cómo es posible utilizar los datos registrados del vector de momento de los fragmentos para transformar su orientación aleatoria en los chorros a un sistema de coordenadas molecular. Después de ver este video, debería tener una idea de cómo se realiza la imagen de explosión coulómbica utilizando la técnica COLTRIMS.
Registrar los vectores de momento de cuatro o cinco fragmentos en coincidencia permite obtener una vista detallada de la molécula. Sin embargo, extraer esta información de los datos brutos requiere mucho esfuerzo en la etapa de análisis. Los secretos de las ciencias de la vida en el mundo de las moléculas ocurren en una escala de tiempo de una billonésima de billonésima de segundo, y nuestro método puede revelar y visualizar estas dinámicas rápidas.
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Descripción general
Este estudio utiliza la imagen por explosión coulómbica para investigar la quiralidad de moléculas individuales en fase gaseosa. Este enfoque innovador aborda preguntas fundamentales en estereoquímica, particularmente respecto a especies quirales pequeñas.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Estereoquímica
- Imagen molecular
- Quiralidad
Antecedentes
- La explosión coulómbica es una técnica desarrollada durante más de 25 años.
- Permite la determinación de la configuración absoluta de moléculas quirales.
- El método registra la energía y la dirección de emisión de los fragmentos cargados.
- Este estudio se centra en moléculas individuales en fase gaseosa.
Objetivo del estudio
- Determinar la quiralidad de especies pequeñas quirales.
- Explorar la dinámica inducida por luz de estas moléculas.
- Mejorar la comprensión de la estereoquímica.
Métodos Utilizados
- Técnica de imagen por multicoincidencia.
- Uso de un láser de femtosegundos.
- Configuración para la imagen coincidente de iones.
- Análisis de fragmentos generados por la ruptura molecular.
Resultados principales
- Imágenes exitosas de moléculas quirales individuales.
- Determinación de su quiralidad.
- Conocimientos sobre sus dinámicas inducidas por luz.
- Validación de la técnica de imagen por multicoincidencia.
Conclusiones
- La explosión coulómbica es efectiva para estudiar especies quirales.
- Este método proporciona nuevas perspectivas sobre la estereoquímica.
- Abre vías para investigaciones adicionales en dinámica molecular.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La imagen de explosión coulómbica permite la determinación directa de la quiralidad molecular a nivel de molécula individual, ofreciendo un enfoque novedoso para el análisis estereoquímico en las fases iniciales del descubrimiento. Esta capacidad apoya la validación de objetivos al proporcionar información estructural inequívoca sobre compuestos quirales, lo cual es fundamental para reducir los riesgos asociados con la actividad biológica específica de enantiómeros. La técnica mejora la confianza predictiva en la identificación de fármacos líderes al resolver interacciones dependientes de estereoisómeros que influyen en la eficacia y seguridad de los medicamentos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la verificación de hipótesis terapéuticas al distinguir enantiómeros de especies quirales simples en base por molécula.
- Valor operativo: Proporciona validación funcional del blanco mediante la medición directa de longitudes de enlace y posiciones atómicas derivadas de los vectores de momento de los fragmentos.
- Valor predictivo: Apoya la selección de carteras al revelar características estructurales específicas de estereoisómeros que informan las predicciones de actividad biológica.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Preparación del ensayo: Prepara sistemas biológicos validados mediante la confirmación de la pureza estereoquímica de los compuestos quirales utilizados en campañas de cribado.
- Reproducibilidad: Proporciona mediciones cuantitativas y coincidentes de patrones de fragmentación iónica que permiten lecturas estandarizadas entre experimentos.
- Utilidad de la plataforma: Facilita la evaluación confiable de compuestos mediante la generación de datos estructurales que pueden integrarse en los flujos de trabajo de desarrollo de ensayos para moléculas quirales.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Alineamiento Translacional: Apoya sistemas relevantes para enfermedades al permitir la eliminación mecanicista de riesgos de fármacos quirales mediante la determinación de la configuración absoluta.
- Continuidad Preclínica: Conecta la validación estereoquímica en fase de descubrimiento con la validación preclínica, asegurando una identidad de enantiómeros consistente a lo largo de los flujos de trabajo.
- Decisiones Ajustadas al Riesgo: Orienta las decisiones de avance al reducir la ambigüedad en la interacción específica con el objetivo y los efectos fuera del objetivo según el estereoisómero.
Integración de la Línea de Procesamiento y del Flujo de Trabajo
El método se integra en la continuidad del descubrimiento, desde la validación inicial del blanco hasta la identificación del fármaco líder, proporcionando confirmación estructural que orienta el cribado posterior y la evaluación preclínica.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la verificación de hipótesis y la aclaración de vías al permitir la asignación de la configuración absoluta de moléculas quirales.
- Tamización: Mejora la preparación de ensayos mediante resultados cuantitativos y reproducibles derivados de la detección de iones sensible al tiempo y a la posición.
- Análisis: Genera lecturas multidimensionales (tiempo de vuelo, posición de impacto) que permiten a los equipos comparar patrones de fragmentación e inferir la estructura molecular.
- Investigación Traductiva: Se conecta con la continuidad preclínica al garantizar la fidelidad estereoquímica en moléculas que avanzan desde las etapas de descubrimiento hasta las de validación.
- Reutilización Empresarial: Funciona como una capacidad reutilizable para el análisis estereoquímico en múltiples proyectos que involucran compuestos quirales.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en la validación de objetivos al reducir la ambigüedad mecanicista en torno al comportamiento de los estereoisómeros.
- Valor operativo: Proporciona estandarización y reproducibilidad mediante la obtención simultánea de imágenes de múltiples fragmentos en condiciones controladas de láser y campo.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de avance o interrupción al permitir la detección temprana de riesgos biológicos específicos de estereoisómeros, mejorando así la eficiencia del capital.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo al proporcionar datos estructurales que orientan la selección de enantiómeros para su desarrollo.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en física de láseres ultrarrápidos, óptica iónica y análisis de datos de coincidencia.
- Depende de instrumentación compatible con COLTRIMS, incluyendo láseres de femtosegundo, espectrómetros electrostáticos y detectores sensibles a la posición.
- Necesita estandarización entre equipos para la preparación de muestras, condiciones de vacío y parámetros de adquisición de datos.
- Implica consideraciones de adaptación al extenderse desde especies quirales simples hasta sistemas moleculares más complejos.
- Limitado por la necesidad de muestras volátiles compatibles con fase gaseosa y tasas bajas de eventos para evitar coincidencias falsas.
