Die Entwicklung von Molekülen zur Untersuchung und Behandlung von Krankheiten wird zunehmend durch den Zeit- und Spezifitätsaufwand für die Analyse der riesigen Datenmengen erschwert, die durch die Synthese großer Sammlungen neuer Moleküle entstehen. Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital präsentieren eine neuartige Lösung für dieses Problem, indem sie die grundlegenden Fragmentierungsmuster chemischer Bausteine nutzen, um Reaktionen von Ausgangsmaterialien bis hin zu Produkten zu kennzeichnen. Damit haben sie einen entscheidenden Engpass im Prozess der Synthese und des Screenings kleiner Moleküle beseitigt. Das Werk wurde heute in veröffentlicht Natur.
Aktuelle Analysemethoden bleiben hinter dem von Forschern gewünschten Umfang der schnellen Hochdurchsatzanalyse zurück. Wissenschaftler von St. Jude unter der Leitung von Daniel Blair, PhD, St. Jude Department of Chemical Biology and Therapeutics, machten sich daran, dieses Problem zu lösen, indem sie sich ein allgemeines Merkmal zunutze machten, das den meisten chemischen Reaktionen innewohnt.
„Allgemeinheit ist wichtig, um etwas schnell zu erledigen. Deshalb haben wir versucht, allgemeine Merkmale zu identifizieren, die die Analyse kleiner Moleküle einheitlich kodieren würden“, erklärte Blair, korrespondierender Autor des Buches Natur Artikel.
Wir haben herausgefunden, dass die Bausteine, aus denen wir kleine Moleküle herstellen, auf bestimmte, vorhersehbare Weise auseinanderbrechen und dass diese Muster dann als universelle Barcodes zur Analyse chemischer Produkte verwendet werden können.“
Daniel Blair, St. Jude Children’s Research Hospital
Ein fragmentierungsorientierter Ansatz für das experimentelle Design
Fragmentierung ist eine grundlegende Eigenschaft chemischer Materie, aber diese neuartige Anwendung im Bereich der chemischen Synthese verleiht ihr eine neue Bedeutung. Eine allgemeine Rate für die Analyse des Ergebnisses einer chemischen Reaktion beträgt herkömmlicherweise etwa 3 Minuten, aber wenn Forscher den Maßstab vergrößern und zusätzliche Reaktionen mit mehr Variablen analysieren, wird diese Zeitspanne unpraktisch. Diese Arbeit von Blair und dem Team wandelt die Analyse chemischer Reaktionen von einer langsamen, hochgradig maßgeschneiderten und von Spezialisten gesteuerten Methode in einen optimierten Ansatz um, der auf einfach zu identifizierenden Fragmentierungs-Barcodes und einer einzigen analytischen Anzeige basiert.
„Da diese Fragmentierungsmuster eine grundlegende Eigenschaft chemischer Materie sind, sind sie zuverlässig von Ausgangsstoffen auf Produkte übertragbar. Sobald man erkennt, dass Ausgangsstoffe die Analyse der resultierenden chemischen Produkte bestimmen können, hat man den gesamten Ansatz verallgemeinert.“ sagte Erstautor Maowei Hu, PhD, St. Jude Department of Chemical Biology and Therapeutics.
Dieser Ansatz, bei dem die Fragmentierung im Vordergrund steht, für die experimentelle Gestaltung mit hohem Durchsatz kann auf viele Arten angewendet werden, da diese grundlegende Eigenschaft nicht krankheits- oder disziplinspezifisch ist. Zukünftige Anwendungen könnten die Entwicklung von Antibiotika, Antimykotika, Krebstherapeutika, molekularen Klebstoffen und vielen weiteren Arten von Molekülen umfassen.
„Wir haben nicht nur die Geschwindigkeit der Analyse chemischer Reaktionen verändert, sondern auch den Weg für die direkte Nutzung dieser Moleküle zum Verständnis und zur Bekämpfung von Krankheiten geebnet“, sagte Blair. „Dieser Fortschritt stellt einen bedeutenden Meilenstein in unserer Mission dar, wirksame Therapien schnell und effizient zu entwickeln. Wir haben die Analyse chemischer Reaktionen von Minuten auf Millisekunden umgestellt und damit den Engpass von der Herstellung von Molekülen auf die Suche nach Funktionen verlagert.“
Quellen:
Hu, M., et al. (2024) Continuous collective analysis of chemical reactions. Nature. doi.org/10.1038/s41586-024-08211-4.
