Des chercheurs du groupe Molecular Photonics de l'Institut Van "t Hoff pour les sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam ont considérablement amélioré la détermination expérimentale de la chiralité ou de la " maniabilité " des molécules à l'aide de la spectroscopie de dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD). En utilisant un algorithme génétique ils ont pu « apprivoiser » les incertitudes de l'analyse VCD résultant du fait que les molécules flexibles peuvent adopter de nombreuses conformations structurelles. Leur amélioration pourrait voir le VCD appliqué à grande échelle, par exemple comme outil de criblage à haut débit de composés pharmaceutiques ou de surveillance en temps réel de processus (bio)chimiques.

L'équipe dirigée par le professeur Wybren Jan Buma publie sa nouvelle méthode VCD dans le numéro du 7 septembre de Sciences chimiques , le journal phare de la Royal Society of Chemistry.

Selon le premier auteur Ph.D. étudiant Mark Koenis, « Il est désormais possible de déterminer le caractère manuel des molécules de manière beaucoup plus fiable et avec de meilleures mesures quantitatives qu'auparavant. »

Dans leur papier, Buma et ses collègues démontrent leur nouvelle approche, entre autres, par des études sur le citronellal. C'est un exemple typique de la classe de molécules qui ont jusqu'à présent posé des défis, souvent insurmontables, à l'analyse VCD. C'est chiral, ce qui signifie qu'il peut exister sous forme de deux structures moléculaires qui sont des images miroir non superposables l'une de l'autre, tout comme une main droite et une main gauche. C'est aussi une molécule très flexible et dynamique qui peut adopter de nombreuses structures spatiales différentes, appelés conformations.

La variation spatiale confond la détermination de la chiralité

étant chiral, Le citronellal représente une classe de molécules d'une grande importance biochimique et pharmaceutique. Étant donné que de nombreuses molécules biologiques (protéines, enzymes, récepteurs, et ainsi de suite) sont chiraux, la « maniabilité » des molécules chirales détermine leurs interactions biologiques. Dans le cas du citronellal, ses structures miroirs chirales (appelées énantiomères) diffèrent en interaction avec les récepteurs olfactifs de sorte que la molécule « gaucher » sent l'orange et son homologue « droitier » le citron. Dans de nombreuses autres molécules, l'effet de la chiralité peut être beaucoup plus dramatique. Dans les applications pharmaceutiques, par exemple, un énantiomère d'un médicament peut avoir un effet thérapeutique bénéfique, tandis que l'autre a des conséquences biologiques néfastes.

Être flexible et dynamique, citronellal illustre les enjeux de la détermination de la chiralité par spectroscopie VCD. Le VCD utilise une lumière polarisée circulairement qui affiche en fait une "maniabilité" dans la différence entre la polarisation circulaire gauche et droite. Ainsi, il permet de faire la distinction entre les molécules gauchères et droites. La technique sophistiquée donne une empreinte spectroscopique unique pour chaque molécule et même pour chaque image miroir de la même molécule. En réalité, à toutes fins pratiques, Le VCD est la seule technique capable de distinguer les énantiomères dans des conditions réelles.

L'accroc, cependant, est-ce, tout comme le citronellal, de nombreuses molécules sont flexibles et dynamiques, adoptant de nombreuses structures spatiales différentes. Chaque structure a sa propre empreinte digitale, de sorte qu'un spectre VCD réel est le total de toutes les empreintes digitales de toutes les variantes moléculaires spatiales présentes dans l'échantillon. Ajoutant à cela, plus stable, les variantes à faible énergie seront plus présentes que celles à plus haute énergie, de sorte que toutes les variantes ne contribuent pas de manière égale au spectre VCD. La liberté structurelle constitue donc un problème sérieux pour déterminer la chiralité dans ces cas.

Algorithme génétique

La solution habituelle en analyse VCD est de déterminer toutes les conformations possibles de la molécule étudiée, calculer leurs énergies et les empreintes digitales correspondantes, puis faire la moyenne de ces composants individuels et comparer le spectre résultant avec le spectre VCD expérimental.

C'est, cependant, beaucoup moins clair qu'il n'y paraît. De nombreuses méthodes sont disponibles pour le calcul des énergies des différentes structures spatiales, du très simple au très avancé. Selon Buma, "au pire des cas, il se pourrait qu'un type de calcul conduise à la conclusion que la molécule a un type particulier de maniabilité, tandis qu'un autre type de calcul conduirait à la conclusion inverse.

Son équipe a maintenant considérablement amélioré la stratégie « calculer et comparer » en prenant explicitement en compte l'incertitude des énergies calculées. À l'aide d'un algorithme génétique qui utilise les principes d'évolution et de « survie du plus apte », ils ont pu ajuster les contributions des différentes empreintes digitales de manière à obtenir le meilleur accord avec le spectre VCD expérimental. "La beauté de notre approche est que le bon sens manuel conduit toujours à un meilleur accord avec les données expérimentales que le sens opposé, " dit Koenis. " Plus important encore, cela nous permet de présenter une mesure quantitative de la fiabilité de l'assignation VCD."

Augmenter les opportunités de candidature

L'algorithme génétique a été testé non seulement sur le citronellal mais aussi sur la déhydroquinidine, une molécule chirale représentant le pire des cas car elle montre d'importants changements structurels dynamiques.

De plus, le spectre VCD de la déhydroquinidine est expérimentalement beaucoup plus difficile à obtenir et le spectre disponible est donc de qualité bien inférieure à ce qui est normalement visé. Les résultats montrent que même pour des molécules aussi difficiles, la nouvelle approche est de loin supérieure à toutes les méthodes existantes pour l'attribution de configuration absolue.

Les chercheurs s'attendent à ce que leur amélioration de la fiabilité du VCD en tant qu'outil d'analyse mette à portée des applications telles que le contrôle de la qualité dans la production d'ingrédients pharmaceutiques. Ils ont déjà réalisé des études pour déterminer les niveaux d'impuretés chirales à l'aide de VCD. "Nous avons également montré que des problèmes notoirement difficiles tels que les molécules avec de nombreux centres chiraux peuvent être résolus, " dit Buma. Considérant que le VCD est expérimentalement plus simple et plus rentable que d'autres techniques, il prévoit de plus en plus d'opportunités d'application de la technique à la fois dans le développement et la production à grande échelle de molécules chirales.