Obrazowanie eksplozji kulombowskiej jako narzędzie do rozróżniania stereoizomerów
18 sierpnia 2017
Dla małych gatunków chiralnych, Coulomb Explosion Imaging dostarcza nowego podejścia do określania ręczności pojedynczych molekuł.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest wykorzystanie eksplozji kulombowskiej do zobrazowania ręczności poszczególnych cząsteczek w fazie gazowej. Ta metoda jest nowym podejściem do odpowiedzi na ważne pytania w stereochemii. W szczególności pozwala na określenie bezwzględnej konfiguracji małych gatunków chiralnych i ich fotoindukowanej dynamiki.
Główną zaletą tej techniki jest to, że energia i kierunek emisji wszystkich fragmentów ładunku z rozpadu molekularnego mogą być rejestrowane w sposób przypadkowy. Rozwijaliśmy tę technikę obrazowania wielokoincydencyjnego przez ponad 25 lat, aby dowiedzieć się więcej i zmierzyć tajemnice stereochemii na podstawie pojedynczych cząsteczek. Sercem eksperymentu jest układ do obrazowania zbieżnego jonów i laser femtosekundowy, taki jak ten aparat COLTRIMS.
Wiązka lasera femtosekundowego wpada z sąsiedniego pomieszczenia. Podstawy techniki COLTRIMS są przedstawione w tej animacji. Wiązka molekularna wchodzi do komory próżniowej przez dyszę i skimmer.
Wiązka laserowa przecina wiązkę molekularną pod kątem prostym i prowadzi do jonizacji, a następnie fragmentacji. Pole elektryczne w spektrometrze kieruje jony do detektora, gdzie rejestrowane są czasy i pozycje ich uderzeń. Przygotuj konfigurację do pracy i sprawdź podciśnienie w komorze interakcyjnej.
Ciśnienie powinno być mniejsze niż 10 do minus dziewięciu hektopaskalów. Przy włączonym laserze i przy niskiej intensywności wykonaj wyrównanie wiązki. Upewnij się, że wiązka wchodzi do komory eksperymentalnej i odbija się od lustra skupiającego komory.
Użyj karty belki, aby sprawdzić, czy belki przychodzące i wychodzące pokrywają się przestrzennie. Zablokuj wiązkę laserową przed kontynuowaniem. Przygotuj się do włączenia zasilania spektrometru i detektora.
Najpierw wyłącz wakuometry w komorze interakcyjnej. Następnie podłącz wzmocnione wyjście sygnału z płytek mikrokanałowych do szybkiego oscyloskopu. Teraz włącz zasilacze wysokiego napięcia dla detektora i pola elektrycznego w spektrometrze.
Wróć do pracy z wiązką laserową, najpierw ją odblokowując. Przygotuj obrotowy filtr polaryzacyjny do regulacji intensywności wiązki. Umieść miernik mocy w wiązce tuż przed komorą i użyj filtra, aby dostosować natężenie wiązki poniżej 10 do 14 watów na centymetr kwadratowy.
W przypadku tej konfiguracji odpowiada to 100 miliwatom na mierniku mocy. Wyjmij miernik mocy i obserwuj ślad oscyloskopu. Bardzo ważne jest sprawdzenie jakości sygnału i ustawień detektora.
Jeśli rejestruje się zbyt dużo hałasu, bardzo trudno jest znaleźć prawdziwe zbiegi okoliczności. Częstotliwość sygnału powinna wynosić około 5% częstotliwości powtarzania lasera. Sygnał powinien mieć jeden pik rzędu kilkuset miliwoltów bez dzwonienia.
Szerokość sygnałów z płytki mikrokanalików nie powinna przekraczać 10 nanosekund. Teraz przejdź do oprogramowania do akwizycji danych. Tam wyświetl obraz detektora, który powinien być okręgiem z rozproszoną plamką w środku ze względu na laser.
W tym momencie należy dostarczyć jedną sztabkę argonu z butli gazowej jako źródło strumienia gazu. Obserwuj obraz detektora na żywo w oprogramowaniu do akwizycji danych podczas regulacji lustra ostrości. Jeśli pojawi się wąska plamka, oznacza to, że zlokalizowano nałożenie się strumienia molekularnego i wiązki laserowej.
Celem jest maksymalizacja nakładania się wiązki strumieniowej i zwiększenie liczby w plamie strumienia. Po zoptymalizowaniu nakładania się wiązki strumieniowej należy przygotować próbkę do wykorzystania w eksperymencie. Ta próbka znajduje się już w cylindrze, który jest zgodny z konfiguracją.
Najpierw schłodzić butlę w ciekłym azocie przez jedną do dwóch minut, aby uniknąć strat próbki. Podłącz schłodzoną butlę do systemu strumieniowego i dokręć połączenie, aby było odporne na podciśnienie. Następnie otwórz zawór, aby pompować system przez kilka sekund w celu usunięcia powietrza.
Poczekaj, aż próbka powróci do temperatury pokojowej przed otwarciem zaworu dyszy strumieniowej. Ciśnienie w komorze źródłowej powinno wzrosnąć. Wróć do oprogramowania do akwizycji danych.
W komputerze sprawdź, czy plamka dżetu jest nadal widoczna i zidentyfikuj najbardziej widoczne piki w widmie czasu przelotu. Kontynuuj pracę w oprogramowaniu do akwizycji danych. Na potrzeby analizy należy wykonać wykres, używając czasu przelotu pierwszego wykrytego jonu wzdłuż osi x i czasu przelotu drugiego wykrytego jonu wzdłuż osi y.
Gdy dwa fragmenty zostaną wykryte w wyniku zbieżności, pojawiają się jako obszary z wieloma zliczeniami. Jeśli dwa fragmenty sumują się do masy macierzystej, spełniają zasadę zachowania pędu i pojawiają się jako ostre ukośne linie. Wykonaj analizę czasu przelotu czterech cząstek za pomocą wykresu utworzonego przez zsumowanie czasów przelotu dla pierwszego i drugiego trafienia, które mają być użyte jako wartość osi x, oraz zsumowanie czasów przelotu dla trzeciego i czwartego trafienia, aby użyć ich dla wartości osi y.
Położenie i kształty powstałych struktur ujawniają informacje o masach i momentach. Dostosuj moc lasera tak, aby zoptymalizować liczbę zliczeń w widmie. Optymalizując szybkość dla danego zerwania, musimy pamiętać, że ogólna szybkość nie powinna przekraczać 10% szybkości powtarzania lasera, aby uniknąć fałszywych zbiegów okoliczności.
Dane te pochodzą z syntetycznej racemicznej mieszaniny bromochlorofluorometanu. Pokazane są tylko zdarzenia, w których zarejestrowano fragmentację na pięć pojedynczo naładowanych jonów. Oś poziomą oblicza się przy użyciu potrójnego iloczynu wektorów pędu jonów halogenowych.
Enancjomer S znajduje się po lewej stronie histogramu. Diagram ilustruje powiązane z nim dane kątowe. Enancjomer R znajduje się po prawej stronie histogramu wraz ze schematem ilustrującym jego kąt.
Częstotliwość powtarzania lasera wynosiła 100 kiloherców, a pomiar trwał około 11 godzin. Animacja ta pokazuje, w jaki sposób można wykorzystać zarejestrowane dane wektora pędu fragmentów do przekształcenia ich losowej orientacji w dżetach w molekularny układ współrzędnych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć pojęcie, w jaki sposób obrazowanie eksplozji kulombowskiej jest wykonywane przy użyciu techniki COLTRIMS.
Rejestrowanie wektorów pędu czterech lub pięciu fragmentów w koincydencji pozwala na szczegółowy wgląd w cząsteczkę. Wyodrębnienie tych informacji z surowych danych wymaga jednak dużego wysiłku na etapie analizy. Tajemnice life science, w świecie molekuł, dzieją się w skali czasowej co do miliardowej części miliardowej sekundy, a nasza metoda może ujawnić i zobrazować tę szybką dynamikę.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym badaniu wykorzystano obrazowanie metodą eksplozji kulombowskiej (Coulomb Explosion Imaging) do zbadania chiralności pojedynczych cząsteczek w fazie gazowej. To innowacyjne podejście pozwala odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu stereochemii, w szczególności w odniesieniu do małych gatunków chiralnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Stereochemia
- Obrazowanie molekularne
- Chiralność
Wprowadzenie
- Obrazowanie metodą eksplozji kulombowskiej jest techniką opracowywaną przez ponad 25 lat.
- Pozwala ona na wyznaczenie konfiguracji absolutnej cząsteczek chiralnych.
- Metoda ta rejestruje energię oraz kierunek emisji fragmentów naładowanych.
- Niniejsze badanie koncentruje się na pojedynczych cząsteczkach w fazie gazowej.
Cel badania
- Określenie chiralności małych cząsteczek chiralnych.
- Badanie dynamiki fotoindukowanej tych cząsteczek.
- Pogłębienie wiedzy na temat stereochemii.
Zastosowane metody
- Technika obrazowania wielokrotnej koincydencji.
- Zastosowanie lasera femtosekundowego.
- Układ do koincydencyjnego obrazowania jonów.
- Analiza fragmentów rozpadu cząsteczek.
Główne wyniki
- Skuteczne obrazowanie pojedynczych cząsteczek chiralnych.
- Wyznaczenie ich chiralności.
- Wgląd w ich dynamikę indukowaną światłem.
- Walidacja techniki obrazowania wielokrotnej koincydencji.
Wnioski
- Obrazowanie poprzez eksplozję kulombowską jest skuteczne w badaniu gatunków chiralnych.
- Metoda ta dostarcza nowej wiedzy na temat stereochemii.
- Otwiera ona możliwości prowadzenia dalszych badań w zakresie dynamiki molekularnej.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Obrazowanie wybuchem kulombowskim (Coulomb Explosion Imaging) umożliwia bezpośrednie określenie chiralności cząsteczek na poziomie pojedynczych molekuł, oferując nowatorskie podejście do analizy stereochemicznej we wczesnej fazie odkrywania leków. Możliwość ta wspiera walidację celu, dostarczając jednoznacznych informacji strukturalnych o związkach chiralnych, co jest kluczowe dla minimalizacji ryzyka związanego z biologiczną aktywnością specyficzną dla konkretnego enancjomeru. Technika ta zwiększa pewność prognostyczną w identyfikacji związków wiodących poprzez rozdzielenie oddziaływań zależnych od stereoisomeru, które wpływają na skuteczność i bezpieczeństwo leku.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez rozróżnianie enancjomerów prostych gatunków chiralnych w skali pojedynczych cząsteczek.
- Wartość operacyjna: Zapewnia funkcjonalną walidację celu poprzez bezpośredni pomiar długości wiązań i pozycji atomów wyznaczonych z wektorów pędu fragmentów.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfelu badawczym poprzez ujawnianie cech strukturalnych specyficznych dla stereoizomerów, co pozwala na przewidywanie aktywności biologicznej.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne poprzez potwierdzenie czystości stereochemicznej związków chiralnych wykorzystywanych w kampaniach przesiewowych.
- Powtarzalność: Zapewnia ilościowe, zbieżne pomiary wzorców fragmentacji jonów, które umożliwiają standaryzację odczytów w różnych eksperymentach.
- Użyteczność platformy: Ułatwia niezawodną ocenę związków poprzez generowanie danych strukturalnych, które mogą zostać zintegrowane z procesami opracowywania analiz dla cząsteczek chiralnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zgodność translacyjna: Wspiera systemy istotne dla chorób, umożliwiając mechanistyczne ograniczanie ryzyka związanego z chiralnymi związkami wiodącymi poprzez określenie konfiguracji absolutnej.
- Ciągłość przedkliniczna: Łączy walidację stereochemiczną z fazy odkrywania z walidacją przedkliniczną, zapewniając spójną tożsamość enancjomerów w obrębie wszystkich procesów.
- Decyzje skorygowane o ryzyko: Uzasadnia decyzje dotyczące dalszego rozwoju poprzez redukcję niejednoznaczności w zakresie specyficznego dla stereoizomerów oddziaływania na cel oraz efektów pozacelowych.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum procesu odkrywania leków, od wczesnej walidacji celu po identyfikację związku wiodącego, zapewniając potwierdzenie strukturalne, które warunkuje późniejszy screening oraz ocenę przedkliniczną.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez umożliwienie przypisania bezwzględnej konfiguracji cząsteczek chiralnych.
- Przesiewanie: Poprawia gotowość do przeprowadzania testów dzięki powtarzalnym, ilościowym wynikom uzyskanym z detekcji jonów wrażliwych na czas i pozycję.
- Analityka: Generuje wielowymiarowe odczyty (czas przelotu, pozycja uderzenia), które pozwalają zespołom porównywać wzory fragmentacji i wnioskować o strukturze cząsteczkowej.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną poprzez gwarantowanie wierności stereochemicznej cząsteczek przechodzących z etapów odkrywania do etapów walidacji.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako wielokrotnego użytku narzędzie do analizy stereochemicznej w wielu projektach obejmujących związki chiralne.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej związanej z zachowaniem stereoizomerów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki jednoczesnemu obrazowaniu wielu fragmentów w kontrolowanych warunkach laserowych i polowych.
- Wartość strategiczna: Usprawnia decyzje typu go/no-go poprzez umożliwienie wczesnego wykrywania ryzyk biologicznych specyficznych dla stereoizomerów, co zwiększa efektywność kapitałową.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko, dostarczając danych strukturalnych, które pomagają w wyborze enancjomeru do dalszych etapów rozwoju.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu fizyki laserów ultraszybkich, optyki jonowej oraz analizy danych koincydencyjnych.
- Zależne od instrumentacji kompatybilnej z systemem COLTRIMS, w tym laserów femtosekundowych, spektrometrów elektrostatycznych i detektorów z czułością pozycyjną.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w zakresie przygotowania próbek, warunków próżniowych oraz parametrów akwizycji danych.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania metody przy przejściu od prostych gatunków chiralnych do bardziej złożonych układów molekularnych.
- Ograniczone przez konieczność stosowania próbek lotnych, kompatybilnych z fazą gazową, oraz niskich częstotliwości zdarzeń w celu uniknięcia fałszywych koincydencji.
