L'étudiant diplômé Tyler Fulton prépare des échantillons de petites molécules dans un laboratoire de Caltech. Crédit :Caltech
Dans une nouvelle étude qu'un scientifique a qualifiée de stupéfiante, une équipe conjointe UCLA/Caltech a montré qu'il est possible d'obtenir les structures de petites molécules, comme certaines hormones et médicaments, en aussi peu que 30 minutes. C'est des heures et même des jours de moins qu'avant.
L'équipe a utilisé une technique appelée diffraction des micro-électrons (MicroED), qui avait été utilisé dans le passé pour apprendre les structures 3-D de molécules plus grosses, spécifiquement des protéines. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs montrent que la technique peut être appliquée à de petites molécules, et que le processus nécessite beaucoup moins de temps de préparation que prévu. Contrairement aux techniques apparentées, dont certaines impliquent la croissance de cristaux de la taille de grains de sel, cette méthode, comme le démontre la nouvelle étude, peut travailler avec des échantillons de départ ordinaires, parfois même des poudres grattées sur le côté d'un bécher.
"Nous avons prélevé les échantillons les plus bas que vous puissiez obtenir et obtenu les structures de la plus haute qualité en un rien de temps, " dit le professeur de chimie de Caltech Brian Stoltz, qui est co-auteur de la nouvelle étude, publié dans la revue ACS Science centrale . « Quand j'ai vu les résultats pour la première fois, ma mâchoire a touché le sol." Initialement publié sur le serveur de pré-impression Chemrxiv à la mi-octobre, l'article a été vu plus de 35, 000 fois.
La raison pour laquelle la méthode fonctionne si bien sur des échantillons de petites molécules est que même si les échantillons peuvent sembler être de simples poudres, ils contiennent en fait de minuscules cristaux, chacun environ un milliard de fois plus petit qu'un grain de poussière. Les chercheurs connaissaient déjà ces microcristaux cachés, mais ne savaient pas qu'ils pouvaient facilement révéler les structures moléculaires des cristaux en utilisant MicroED. "Je ne pense pas que les gens se soient rendu compte à quel point ces microcristaux sont courants dans les échantillons pulvérulents, " dit Stoltz. " C'est comme de la science-fiction. Je ne pensais pas que cela arriverait de mon vivant, que l'on puisse voir des structures à partir de poudres."
Les résultats ont des implications pour les chimistes souhaitant déterminer les structures de petites molécules, qui sont définis comme ceux pesant moins d'environ 900 daltons. (Un dalton a à peu près le poids d'un atome d'hydrogène.) Ces minuscules composés comprennent certains produits chimiques présents dans la nature, certaines substances biologiques comme les hormones, et un certain nombre de médicaments thérapeutiques. Les applications possibles de la méthodologie de recherche de structure MicroED incluent la découverte de médicaments, analyse de laboratoire criminel, tests médicaux, et plus. Par exemple, Stoltz dit, la méthode pourrait être utile pour tester les derniers médicaments améliorant la performance chez les athlètes, où seules des traces d'un produit chimique peuvent être présentes.
"L'étape la plus lente dans la fabrication de nouvelles molécules est de déterminer la structure du produit. Ce n'est peut-être plus le cas, car cette technique promet de révolutionner la chimie organique, " dit Robert Grubbs, Victor et Elizabeth Atkins professeur de chimie de Caltech et lauréat du prix Nobel de chimie 2005, qui n'a pas participé à la recherche. "La dernière grande rupture dans la détermination de la structure avant cela était la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, qui a été introduit par Jack Roberts chez Caltech à la fin des années 60."
Comme d'autres chimistes de synthèse, Stoltz et son équipe passent leur temps à essayer de comprendre comment assembler des produits chimiques en laboratoire à partir de matières premières de base. Leur laboratoire se concentre sur des petites molécules naturelles telles que la famille de composés bêta-lactamines dérivés de champignons, qui sont liés aux pénicillines. Pour construire ces produits chimiques, ils doivent déterminer les structures des molécules dans leurs réactions, à la fois les molécules intermédiaires et les produits finaux, pour voir s'ils sont sur la bonne voie.
Ce film est un exemple de collecte de données de diffraction électronique (MicroED), dans lequel des électrons sont tirés sur un nanocristal tout en étant continuellement mis en rotation. Les données du film sont finalement converties en une structure chimique 3-D. Crédit :UCLA/Caltech
Une technique pour le faire est la cristallographie aux rayons X, dans lequel un échantillon chimique est frappé par des rayons X qui diffractent ses atomes ; le schéma de ces rayons X diffractants révèle la structure 3-D du produit chimique ciblé. Souvent, cette méthode est utilisée pour résoudre les structures de très grosses molécules, telles que les protéines membranaires complexes, mais elle peut aussi s'appliquer à de petites molécules. Le défi est que pour exécuter cette méthode, un chimiste doit créer des morceaux de cristal de bonne taille à partir d'un échantillon, ce qui n'est pas toujours facile. "J'ai passé des mois à essayer d'obtenir les bons cristaux pour l'un de mes échantillons, " dit Stoltz.
Une autre méthode fiable est la RMN (résonance magnétique nucléaire), qui ne nécessite pas de cristaux mais nécessite une quantité relativement importante d'échantillon, qui peut être difficile à amasser. Aussi, La RMN ne fournit que des informations structurelles indirectes.
Avant maintenant, MicroED - qui est similaire à la cristallographie aux rayons X mais utilise des électrons au lieu de rayons X - a été principalement utilisé sur des protéines cristallisées et non sur de petites molécules. Co-auteur Tamir Gonen, un expert en cristallographie électronique à l'UCLA qui a commencé à développer la technique MicroED pour les protéines alors qu'il travaillait au Howard Hughes Medical Institute en Virginie, a déclaré qu'il n'avait commencé à penser à utiliser la méthode sur de petites molécules qu'après avoir déménagé à l'UCLA et s'être associé à Caltech.
"Tamir utilisait cette technique sur des protéines, et vient de mentionner qu'ils peuvent parfois le faire fonctionner en utilisant uniquement des échantillons de protéines en poudre, " dit Hosea Nelson (Ph.D. '13), professeur adjoint de chimie et de biochimie à l'UCLA. "Mon esprit a été époustouflé par cela, que tu n'avais pas à faire pousser des cristaux, et c'est à peu près au moment où l'équipe a commencé à réaliser que nous pouvions appliquer cette méthode à une toute nouvelle classe de molécules avec des implications de grande envergure pour tous les types de chimie. »
L'équipe a testé plusieurs échantillons de qualités variables, sans jamais tenter de les cristalliser, et ont pu déterminer leurs structures grâce aux nombreux microcristaux des échantillons. Ils ont réussi à obtenir des structures pour des échantillons de base des médicaments de marque Tylenol et Advil, et ils ont pu identifier des structures distinctes à partir d'un mélange en poudre de quatre produits chimiques.
L'équipe UCLA/Caltech dit qu'elle espère que cette méthode deviendra une routine dans les laboratoires de chimie à l'avenir.
"Dans nos laboratoires, nous avons des étudiants et des post-doctorants qui fabriquent chaque jour des entités moléculaires totalement nouvelles et uniques, " dit Stoltz. " Maintenant, nous avons le pouvoir de comprendre rapidement ce qu'ils sont. Cela va changer la chimie de synthèse."
