Formazione immagine di esplosione Coulombiana come uno strumento per distinguere tra stereoisomeri
18 agosto 2017
Per piccole specie chirali, Coulomb esplosione Imaging fornisce un nuovo approccio per determinare la manualità delle singole molecole.
L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di utilizzare l'esplosione di Coulomb per visualizzare la manualità delle singole molecole in fase gassosa. Questo metodo è un nuovo approccio per affrontare importanti questioni in stereochimica. In particolare, permette di determinare la configurazione assoluta di piccole specie chirali e la loro dinamica fotoindotta.
Il vantaggio principale di questa tecnica è che l'energia e la direzione di emissione di tutti i frammenti di carica da una rottura molecolare possono essere registrate in coincidenza. Abbiamo sviluppato questa tecnica di imaging multicoincidenza per un periodo di oltre 25 anni per saperne di più e misurare i segreti della stereochimica sulla base di singole molecole. Il cuore dell'esperimento è una configurazione per l'imaging coincidente di ioni e un laser a femtosecondi come questo apparecchio COLTRIMS.
Il raggio laser a femtosecondi entra da una stanza adiacente. Le basi della tecnica COLTRIMS sono rappresentate in questa animazione. Un fascio molecolare entra nella camera a vuoto attraverso un ugello e uno skimmer.
Un raggio laser attraversa il fascio molecolare ad angolo retto e porta alla ionizzazione e alla successiva frammentazione. Il campo elettrico nello spettrometro guida gli ioni verso il rivelatore dove vengono registrati i tempi e le posizioni dei loro impatti. Preparare la configurazione per il funzionamento e controllare il vuoto nella camera di interazione.
La pressione dovrebbe essere inferiore a 10 rispetto al negativo nove ettopascale. Con il laser acceso e a bassa intensità, eseguire l'allineamento del raggio. Assicurarsi che il raggio entri nella camera dell'esperimento e venga riflesso dallo specchio di messa a fuoco della camera.
Utilizzare una scheda del raggio per verificare che i raggi in entrata e in uscita coincidano spazialmente. Bloccare il raggio laser prima di continuare. Prepararsi ad accendere lo spettrometro e gli alimentatori del rivelatore.
Innanzitutto, spegnere i vacuometri nella camera di interazione. Quindi, collegare l'uscita del segnale amplificato delle piastre a microcanali a un oscilloscopio veloce. Ora accendi gli alimentatori ad alta tensione per il rivelatore e il campo elettrico nello spettrometro.
Torna a lavorare con il raggio laser prima sbloccandolo. Avere un filtro di polarizzazione ruotabile pronto per regolare l'intensità del raggio. Posizionare un misuratore di potenza nel raggio appena prima della camera e utilizzare il filtro per regolare l'intensità del raggio da meno di 10 a 14 watt per centimetro quadrato.
Per questa configurazione, ciò corrisponde a 100 milliwatt sul misuratore di potenza. Rimuovere il misuratore di potenza e osservare la traccia dell'oscilloscopio. È fondamentale controllare la qualità del segnale e le impostazioni del rivelatore.
Se si registra troppo rumore, le vere coincidenze sono molto difficili da trovare. La frequenza del segnale dovrebbe essere circa il 5% della frequenza di ripetizione del laser. Il segnale dovrebbe avere un picco di diverse centinaia di millivolt senza alcun squillo.
La larghezza dei segnali dalla piastra a microcanali non deve superare i 10 nanosecondi. Ora passa al software di acquisizione dati. Lì, visualizza un'immagine del rilevatore, che dovrebbe essere un cerchio con un punto diffuso al centro a causa del laser.
A questo punto, fornire una barra di argon da una bombola di gas come fonte per il getto di gas. Osservare l'immagine del rivelatore dal vivo nel software di acquisizione dati mentre si regola lo specchio di messa a fuoco. Se appare un punto stretto, è stata individuata una sovrapposizione tra il getto molecolare e il raggio laser.
L'obiettivo è massimizzare la sovrapposizione del fascio del getto e aumentare il numero nel punto del getto. Dopo aver ottimizzato la sovrapposizione del fascio di getto, preparare il campione per l'uso nell'esperimento. Questo campione si trova già in un cilindro compatibile con la configurazione.
Innanzitutto, raffreddare il cilindro in azoto liquido per uno o due minuti per evitare perdite di campione. Collegare il cilindro raffreddato al sistema a getto e serrare il collegamento per renderlo a prova di vuoto. Quindi, aprire la valvola per pompare il sistema per alcuni secondi per rimuovere l'aria.
Attendere che il campione torni a temperatura ambiente prima di aprire la valvola dell'ugello a getto. La pressione nella camera di origine dovrebbe aumentare. Torna al software di acquisizione dati.
Al computer, verificare che una macchia di getto sia ancora visibile e identificare i picchi più importanti nello spettro del tempo di volo. Continuare a lavorare nel software di acquisizione dati. Per l'analisi, creare un grafico utilizzando il tempo di volo del primo ione rilevato lungo l'asse x e il tempo di volo del secondo ione rilevato lungo l'asse y.
Quando due frammenti sono stati rilevati per coincidenza, appaiono come regioni con molti conteggi. Se due frammenti si sommano alla massa madre, soddisfano la conservazione della quantità di moto e si presentano come linee diagonali nette. Eseguire un'analisi del tempo di volo di quattro particelle con un grafico creato sommando i tempi di volo per il primo e il secondo colpo da utilizzare come valore dell'asse x e sommando i tempi di volo per il terzo e il quarto colpo da utilizzare per il valore dell'asse y.
Le posizioni e le forme delle strutture risultanti rivelano informazioni sulle masse e sui momenti. Regolare la potenza del laser in modo da ottimizzare il numero di conteggi nello spettro. Quando si ottimizza la velocità per la rottura pertinente, dobbiamo tenere presente che la velocità complessiva non deve superare il 10% della frequenza di ripetizione del laser per evitare false coincidenze.
Questi dati provengono da una miscela racemica sintetica di bromoclorofluorometano. Vengono mostrati solo gli eventi in cui è stata registrata una frammentazione in cinque ioni caricati singolarmente. L'asse orizzontale è calcolato utilizzando un triplo prodotto dei vettori di quantità di moto degli ioni alogeni.
L'enantiomero S si trova a sinistra dell'istogramma. Il diagramma illustra i dati angolari associati. L'enantiomero R si trova a destra dell'istogramma insieme a un diagramma per illustrare il suo angolo.
La frequenza di ripetizione del laser era di 100 kilohertz e la misurazione richiedeva circa 11 ore. Questa animazione mostra come sia possibile utilizzare i dati vettoriali di quantità di moto registrati dei frammenti per trasformare il loro orientamento casuale nei getti in un sistema di coordinate molecolari. Dopo aver visto questo video, dovreste avere un'idea di come viene eseguita l'imaging dell'esplosione di Coulomb utilizzando la tecnica COLTRIMS.
La registrazione dei vettori di quantità di moto di quattro o cinque frammenti in coincidenza consente una visione dettagliata della molecola. L'estrazione di queste informazioni dai dati grezzi, tuttavia, richiede un grande sforzo nella fase di analisi. I segreti delle scienze della vita nel mondo delle molecole si verificano su una scala temporale di un miliardesimo di miliardesimo di secondo e il nostro metodo può rivelare e visualizzare queste dinamiche veloci.
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Panoramica
Questo studio utilizza l'immagine dell'esplosione coulombiana per analizzare la chiralità di singole molecole in fase gassosa. Questo approccio innovativo affronta questioni fondamentali nella stereochimica, in particolare riguardo a specie chirali di piccole dimensioni.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Stereochimica
- Immagini molecolari
- Chiralità
Sfondo
- L'imaging mediante esplosione coulombiana è una tecnica sviluppata oltre 25 anni fa.
- Consente la determinazione della configurazione assoluta di molecole chirali.
- Il metodo registra l'energia e la direzione di emissione dei frammenti carichi.
- Questo studio si concentra su singole molecole in fase gassosa.
Scopo dello studio
- Determinare la chiralità di piccole specie chirali.
- Studiare la dinamica indotta da fotoeccitazione di queste molecole.
- Migliorare la comprensione della stereochimica.
Metodi Utilizzati
- Tecnica di imaging multicoincidenza.
- Utilizzo di un laser a femtosecondi.
- Configurazione per l'imaging coincidente di ioni.
- Analisi dei frammenti derivanti dalla rottura molecolare.
Risultati principali
- Acquisizione di immagini riuscita di singole molecole chirali.
- Determinazione della loro chiralità.
- Approfondimenti sulle loro dinamiche indotte da fotoeccitazione.
- Convalida della tecnica di imaging multicoincidenza.
Conclusioni
- L'imaging mediante esplosione coulombiana è efficace per lo studio di specie chirali.
- Questo metodo fornisce nuove intuizioni sulla stereochimica.
- Apre nuove strade per ulteriori ricerche nella dinamica molecolare.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
L'imaging mediante esplosione coulombiana consente la determinazione diretta della chiralità molecolare a livello di singola molecola, offrendo un approccio innovativo all'analisi stereochemica nelle fasi iniziali della scoperta. Questa capacità supporta la validazione degli obiettivi fornendo informazioni strutturali inequivocabili sui composti chirali, elemento fondamentale per ridurre i rischi associati all'attività biologica enantioselettiva. La tecnica aumenta la sicurezza predittiva nell'identificazione dei composti promettenti risolvendo le interazioni dipendenti dallo stereoisomero che influenzano l'efficacia e la sicurezza dei farmaci.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche distinguendo gli enantiomeri di specie chirali semplici su base per-molecola.
- Valore operativo: Fornisce una validazione funzionale del bersaglio mediante la misurazione diretta delle lunghezze dei legami e delle posizioni atomiche derivate dai vettori di impulso dei frammenti.
- Valore predittivo: Supporta la selezione del portafoglio rivelando caratteristiche strutturali specifiche degli stereoisomeri che informano le previsioni dell'attività biologica.
Sviluppo di screening e saggi
- Prontezza del saggio: Prepara sistemi biologici validati confermando la purezza stereochemica dei composti chirali utilizzati nelle campagne di screening.
- Riproducibilità: Fornisce misurazioni quantitative e coincidenti dei pattern di frammentazione ionica che consentono letture standardizzate tra esperimenti diversi.
- Utilità della piattaforma: Facilita la valutazione affidabile dei composti generando dati strutturali integrabili nei flussi di lavoro di sviluppo dei saggi per molecole chirali.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allineamento Translazionale: Supporta sistemi rilevanti per le malattie consentendo la riduzione del rischio meccanicistica di composti chirali attraverso la determinazione della configurazione assoluta.
- Continuità Preclinica: Collega la validazione stereochemica nella fase di scoperta alla validazione preclinica assicurando l'identità costante dell'enantiomero in tutti i flussi di lavoro.
- Decisioni Basate sulla Valutazione del Rischio: Guida le scelte di avanzamento riducendo l'ambiguità nell'interazione del target specifica per stereoisomero e negli effetti fuori bersaglio.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nel percorso di scoperta, dalla validazione iniziale della proteina bersaglio fino all'identificazione del composto capostipite, fornendo una conferma strutturale che orienta lo screening successivo e la valutazione preclinica.
- Biologia della Scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi consentendo l'assegnazione della configurazione assoluta di molecole chirali.
- Screening: Migliora la prontezza del saggio attraverso output riproducibili e quantitativi derivati dalla rilevazione di ioni sensibile al tempo e alla posizione.
- Analisi: Genera letture multidimensionali (tempo di volo, posizione d'impatto) che consentono ai team di confrontare i modelli di frammentazione e dedurre la struttura molecolare.
- Ricerca Translazionale: Si collega alla continuità preclinica garantendo la fedeltà stereochemica nelle molecole che progrediscono dalle fasi di scoperta a quelle di validazione.
- Riutilizzo Aziendale: Funziona come capacità riutilizzabile per l'analisi stereochemica in progetti multipli che coinvolgono composti chirali.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo l'ambiguità meccanicistica riguardo al comportamento degli stereoisomeri.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e riproducibilità mediante l'acquisizione simultanea di immagini di frammenti multipli in condizioni controllate di laser e campo.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di proseguimento o interruzione del progetto consentendo un rilevamento precoce dei rischi biologici specifici degli stereoisomeri, aumentando l'efficienza del capitale.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione corretta rispetto ai rischi fornendo dati strutturali che guidano la selezione dell'enantiomero da avanzare.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in fisica dei laser ultraveloci, ottica ionica e analisi di dati in coincidenza.
- È vincolato a strumentazione compatibile con COLTRIMS, inclusi laser a femtosecondi, spettrometri elettrostatici e rivelatori sensibili alla posizione.
- Necessita di standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per la preparazione dei campioni, le condizioni di vuoto e i parametri di acquisizione dati.
- Richiede considerazioni di adattamento nel passaggio da specie chirali semplici a sistemi molecolari più complessi.
- È limitato dalla necessità di campioni volatili, compatibili con la fase gassosa, e da bassi tassi di eventi per evitare coincidenze spurie.
