Uzayla Oynayan Bir MIT Kimyacısı

Alison Wendlandt, şekerler ve ilaçlar gibi moleküllerdeki atomların düzeninin onların doğasını ve vücudumuzu nasıl etkileyebileceğini araştırıyor.

Çavdar ekmeğinin toprak tadının çoğu kimyon tohumlarından kaynaklanmaktadır. Bu tohumlar lezzetlerini 10 karbon atomu, 14 hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşan bir molekül olan carvone’dan alır . Ancak toprağımsı tat, atomların tam olarak toplanmasının yaratabileceği tek tat değil. Nanenin nanemsi tadı da carvone’dan kaynaklanmaktadır. Hangi tadı alacağınız, moleküldeki atomların uzaysal dağılımına bağlıdır; her iki carvone’u  yan yana koyarsanız, birbirlerinin ayna görüntüleri olarak görürsünüz.

Bir moleküldeki atomların uzaysal dağılımının incelenmesine stereokimya denir. MIT’de Yeşil Kariyer Geliştirme Yardımcı Profesörü Alison Wendlandt, moleküller söz konusu olduğunda, moleküler özellikleri belirleyen şeyin yalnızca atomlar olmadığını, aynı zamanda benzer şekilde bağlanmış atomların üç boyutlu düzenlenmesinin de olduğunu açıklıyor.

Atomların bu uzamsal dağılımı sadece lezzeti etkilemez. Ayrıca bir ilaç molekülünün etkinliğini de belirleyebilir. Wendlandt’ın çalışması, moleküllerin stereokimyasına ince ayar yapmak için stratejiler bulmaya ve bunu yaparken bir ilaç tedavisinin hastalarda ne kadar hızlı ve kapsamlı bir şekilde işe yarayacağına odaklanıyor.

Aynaya Yansıyan Görüntü

Wendlandt üniversiteye girdiğinde, kimya da uzmanlaşmayı planlamıyordu; o bir matematik uzmanıydı. “Ama sonunda organik kimyaya başladım ve bu tam anlamıyla  bir dil olarak tıklandı” diyor. Pek çok öğrenci kimyaya ezberleme yoluyla yaklaşır, ancak Wendlandt için kimyanın anlamı doğuştan mantıklıydı. “Ezberlemek yoktu, sadece kuralları anlamak vardı” diye hatırlıyor. “Ve o noktada yapabileceğim başka bir şey kalmadı.”

Wendlandt’ın eğitimi, istenen bir reaksiyonu elde etmek için bir katalizör tasarlamayı içeren kataliz üzerinedir. Wendlandt, “Katalizör, bir reaksiyonu teşvik edebilen ancak bu reaksiyonda tüketilmeyen her tür reaktiftir” diyor. Bu, gerçekleştirmesi zor veya belirli bir ürün veya sonuca götüren bir reaksiyon olabilir. Harvard Üniversitesi’ndeki doktora sonrası çalışması sırasında, bir çift ayna görüntü molekülünden biri olan spesifik bir enantiyomerin üretildiği enantiyoselektif katalize odaklandı.

Fotoğraf : (Soldaki görüntü, nadir şeker izomerlerinin sentezinin reaksiyonunu tetikleyen mavi LED ışığın yoğunluğunu gösteriyor. Sağdaki görüntü, reaksiyon kurulumunun kendisini göstermek için mavi ışığı ortadan kaldıran turuncu bir filtre ile çekildi. Çeşitli değişkenleri tarayan yaklaşık 28 reaksiyon şişesi vardır.)

Enantioselektif katalizin Wendlandt’ı çalışmaya çeken birçok yönü vardır, ancak ikisi göze çarpmaktadır. “Biri kiral ilaç moleküllerinin önemi” diyor. İlaç molekülleri söz konusu olduğunda, genellikle sadece bir enantiyomer ilgilenilen ilaç özelliklerine sahipken, diğerinin hiçbir etkisi yoktur veya bazı durumlarda olumsuz bir etkisi vardır. “Enantiyomerlerin hedef dışı etkilerini kontrol edemememiz veya kabul etmememizin felaketlere yol açtığı bazı ünlü felaketler var.” 1950’lerde hamile kadınlar tarafından alınan talidomid buna bir örnektir. Wendlandt, “Bir enantiyomer iyiydi ve sabah hastalığını etkili bir şekilde tedavi etti ve diğer enantiyomer bir teratojendi ve doğum kusuru sorunlarına yol açtı” diyor. “Tamamen bir stereokimya problemiydi.”

Wendlandt, işin moleküler tasarım yönüne de ilgi duyuyor. “Reaksiyon koordinatlarında çok küçük enerjik bir değişiklik yapmamızı sağlıyor,” diyor. Wendlandt, enerji açısından 1.000-2.000 kalorinin – enerji için tükettiğiniz ve kullandığınız kalori gibi – bir ürünün iki enantiyomerin dengeli bir karışımı olup olmadığını veya ilgili tek bir enantiyomerin saf bir karışımı olup olmadığını belirleyebileceğini açıklıyor. Wendlandt, katalizle reaksiyonun yolunu gerçekten kontrol edebileceğinizi söylüyor.

Birçok molekülün stereokimyası vardır, ancak Wendlandt’ın özellikle ilgilendiği molekül sınıfı şekerlerdir. Amino asitler ve proteinler gibi moleküller için , özelliklerinin genellikle molekül üzerindeki atom gruplarının kendilerine belirli bir yapı kazandıran fonksiyonel grupları tarafından belirlendiğini açıklıyor . Şekerlerde durum böyle değil. Wendlandt, “Şekerlerin biyolojik ve fiziksel özelliklerinin çoğu stereokimya ile ilgilidir” diyor. Bazı önemli istisnalar dışında, tüm şekerler izomerlerdir, yani aynı temel kimyasal formülü paylaşırlar. “Sadece uzaysal bağlantılarına göre farklılık gösteriyorlar.”

Vücutta şekerler, enerji ve bilgi depolamadan yapıya kadar bir dizi işleve hizmet eder ve aynı zamanda farmasötik ilaçlarda ortak bileşenlerdir. Glikoz ve selüloz gibi bazı şekerlerin elde edilmesi kolaydır, ancak diğerlerinin, özellikle ilaçlarda aktif bileşenler olabilenlerin üretilmesi daha zordur. Wendlandt, bu nadir şekerlerin “kimyasal sentez yoluyla yapılması gerektiğini” söylüyor.

Wendlandt, şekerlerin önemine rağmen, onları incelemek, nadir şekerlerin üretilmesi için düşük yöntemlerle engelleniyor. “Ve bu yöntemlerin zayıf olmasının nedeni, seçicilik sorunlarını yönetemememizle ilgili” diyor. Şekerlerin özellikleri stereokimyaları tarafından belirlendiğinden, nadir şeker yapmak genellikle belirli bir atomu molekül üzerindeki bir konumdan diğerine taşımak anlamına gelir. Bu büyük bir zorluk, ama tek Wendlandt’ın ilgisini çekiyor.

Nature dergisindeki bir Ocak 2020 makalesinde, Wendlandt ve laboratuvarı, bir glikoz molekülündeki atomların uzaysal dağılımını değiştirerek nadir bir şeker olan allozu yaptı. Süreç, bir noktada kimyasal bir bağın kırılmasını ve molekülün başka bir noktasında yeniden biçimlendirilmesini içeriyordu; bu, mikroskobik tersinirlik adı verilen kimyasal bir ilkeye aykırıdır. Wendlandt, “Bağın kopma şeklinin, bağın kurulma şekline benzer olduğunu belirtir” diye açıklıyor. Bunun üstesinden gelmek için laboratuvar, iki katalizör kullanarak bağ kırma ve bağ oluşturma sürecini birbirinden ayırdı: biri bağı kırmak ve diğeri onu oluşturmak için. Bu iki ayrı katalizör ve katalizi harekete geçirecek bir miktar mavi ışıkla, şeker molekülü üzerindeki belirli bir noktadan bir hidrojen atomu çıkarılırken, aynı molekül üzerindeki başka bir stereokimyasal konuma yeni bir hidrojen atomu eklenir. Bu geçişle, ortak glikoz nadir alloz haline geldi.

Aloz yapmak sadece başlangıçtır. Reaksiyonun saha seçiciliğini yönlendiren şey henüz net değil ve bu Wendlandt ve laboratuvarının araştırmaya devam ettiği bir sorudur. Wendlandt, “Bu reaksiyonların neden seçici olduğunu anlayabilirsek, prensipte onları başka şeyler yapacak şekilde tasarlayabiliriz,” diyor Wendlandt, örneğin molekülün diğer bölgelerindeki bağları koparmak gibi. Öngörülebilirlik ve stabilite sağlandıktan sonra, bu yöntem birçok FDA onaylı antiviral, antibakteriyel, anti-kanser ve kalple ilgili ilaç dahil olmak üzere farmasötiklerde güçlü bir araç haline gelebilir. Wendlandt, “Bir tıbbi kimyager gelip ‘Tamam, bu bağı veya bu bağı düzenlemek istiyorum’ diyerek şekerleri güçlü farmasötik bileşenlere dönüştürmelerine izin verdiğini düşünüyor. Bir moleküldeki atomların bu şekilde düzeltilmesi, trajedi ile güvenli, etkili ilaçlar arasındaki fark anlamına gelebilir.

Kaynak : scitechdaily.com