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Apr 07, 2023

イリノイ州の研究チームが小分子の構造を捉えるイメージング技術を加速

Scritto da Emily Jankowski Urbana, Illinois - Università dell'Illinois

エミリー・ジャンカウスキー著

イリノイ州アーバナ — ピンシェーン・ファン率いるイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究活動は、小分子の構造を明確に視覚化するイメージング技術を加速させています。かつては不可能と考えられていたプロセスです。 彼らの発見は、プラスチックから医薬品に至るまで、日常生活の用途を改善する無限の可能性を解き放ちます。

材料科学工学科の准教授は、共著者であるブランカ・ジャニチェク氏（カリフォルニア州バークレーのローレンス・バークレー国立研究所の21年度卒業生で博士研究員）、および化学科大学院生のプリティ・カレル氏とチームを組んだ。研究者が低分子構造を視覚化し、現在のイメージング技術を加速できる方法論を証明するためです。

その他の共著者には、大学院生の Sang hyun Bae 氏、学部生の Patrick Carmichael 氏と Amanda Loutris 氏が含まれます。 彼らの査読済みの研究は最近、Nano Letters に掲載されました。

チームの取り組みにより、分子の原子構造が明らかになり、研究者は分子がどのように反応するかを理解し、化学プロセスを学び、化合物の合成方法を確認できるようになります。

「分子の構造はその機能にとって非常に基礎的なものです」とフアン氏は言う。 「私たちが仕事でやったことは、その構造を直接見ることができるようにすることです。」

低分子の構造を見る能力は非常に重要です。 カレル氏は、サリドマイドとして知られる薬剤を例に挙げて、いかに重要かを語ります。

60年代に発見されたサリドマイドは、つわりを治療するために妊婦に処方されていたが、後に重度の先天異常を引き起こしたり、場合によっては死に至る可能性があることが判明した。

何が悪かったのか？ この薬には混合の分子構造があり、1つはつわりの治療に関与し、もう1つは残念ながら胎児に壊滅的な悪影響を及ぼしました。

受け身ではなく積極的な科学の必要性により、フアン氏とその学生たちは、もともと純粋な好奇心から始まったこの研究活動を追求するようになりました。

「これらの分子の構造を正確に決定することは非常に重要です」とカレル氏は言う。

通常、分子構造は間接的な手法で決定されます。この手法は、核磁気共鳴や X 線回折を使用する、時間のかかる困難な手法です。 さらに悪いことに、間接的な方法では誤った構造が生成され、科学者に分子の構成について何十年にもわたって誤った理解を与える可能性があります。 小分子の構造を取り巻く曖昧さは、直接イメージング法を使用することで排除できます。

過去 10 年間、フアン教授は、生物学者が大きな分子を凍結してその構造の高品質画像を取得する極低温電子顕微鏡技術の大幅な進歩を見てきました。

「私が抱いた疑問は、何が彼らが小分子に対して同じことをするのを妨げているのかということでした。」 黄さんは言った。 「それができれば、その構造を解明し、植物や動物が作る天然化合物の合成方法を解明できるかもしれません。これは、偉大な病気と戦うのと同じように、非常に重要なものになるかもしれません。」黄さんは言った。

課題は、小分子は多くの場合、大きな分子に比べて 100 分の 1、さらには 1,000 倍も小さいため、その構造の検出が困難であることです。

決意を固めたフアン氏の学生たちは、低分子の構造を明らかにするイメージング技術を開発するための出発点として、既存の大分子手法を使い始めた。

大きな分子とは異なり、小さな分子からのイメージング信号は周囲の信号に簡単に圧倒されます。 通常、電子顕微鏡の過酷な環境から保護する層として機能する氷を使用する代わりに、研究チームは小分子の構造を無傷に保つための別の計画を考案した。

どうすれば分子の環境を整えることができるでしょうか? グラフェンを使用することで。

緻密な六角形のハニカム格子を形成する炭素原子の単層であるグラフェンは、イメージング中の有害な反応を消散します。

この低分子の環境を安定させることは、イリノイ州の研究者たちが対処しなければならない問題の 1 つだけでした。 研究チームはまた、分子を照らすために電子の使用を、通常使用される選挙の数の100万分の1までに制限する必要があった。

低線量の電子により、分子は研究者が画像をキャプチャできるほど十分に動き続けることが保証されます。

「私がよく考えるのは、分子は高エネルギーの選挙による衝撃を受けることを好まないが、構造を見るためにはそうする必要があり、グラフェンはその電荷の一部を分子から散逸させるのに役立つということです」そうすることで実際に分子の素晴らしい画像を得ることができるのです」とヤニチェク氏は語った。

残念ながら、分子は一度捕捉されると、画像ではほとんど見えなくなりました。

「低線量の画像を撮影すると、最初はノイズかテレビの静音のように見え、まるで何もないかのように見えます」とフアン氏は言う。

その秘訣は、フーリエ変換 (小分子の画像を分解する数学関数) を使用してそのノイズから原子構造を分離し、その空間周波数を確認することでした。

「私たちは何十万もの分子の画像を撮影し、それらを加算して単一の鮮明な画像を構築しました」とカレル氏は語った。

この平均化アプローチにより、チームは個々の分子の完全性を損なうことなく、分子の原子の鮮明な画像を作成することができました。

「毎月、毎週、私たちの決意は向上していきました」とフアン氏は語った。 「そしてある日、私の生徒たちがやって来て、個々の炭素原子を見せてくれました。これは大きな成果です。そしてもちろん、それは、イメージング実験を設計するために、そして何からデータを解き放つかを設計するために彼らが得た深い知識すべての後に得られるものです」何もないようだ。」

この集合的な発見は、さらに多くの構造分子イメージングの発見への道を切り開いています。

「いわば、寒さの中に取り残された小分子の分野全体が存在します。私たちは、どのようにして分野としてそこに到達するのかに光を当てています。私たちにとって今必要なものをどのように作るかです。」すごく大変です？" 黄さんは言った。 「いつかはそれがなくなるだろう、それが希望だ。」

イリノイ州の研究者らの取り組みは、その夢を現実にするための大きな第一歩となる。

「いつか、これが小分子の構造を解明する方法になるでしょう」とフアン氏は語った。 「人々はその分子を電子顕微鏡に投げ込み、写真を撮るだけで終わります。」

その夢が、ファンとイリノイ州のチームに、コースを維持する意欲を与えました。

「それは人生を変える可能性があり、私たちはそれを実現しました」とフアン氏は語った。 「まだ簡単にはできていませんが、このような画像技術は科学技術の多くを変えるでしょう。」

材料科学工学優先基金への寄付は、イリノイ校の MatSE が学生の経験を変革し、世界を変える研究を推進し、工学教育と研究における社会正義に取り組む重要な取り組みに戦略的に投資できるようにするための重要かつ無制限のサポートを提供します。

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