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Apr 07, 2023

일리노이주 연구팀, 소분자 구조 포착을 위한 이미징 기술 가속화

작성자: Emily Jankauski URBANA, 일리노이 — 일리노이 대학교

에밀리 얀카우스키가 각본을 맡은 작품

일리노이주 어바나 — Pinshane Huang이 이끄는 일리노이 대학교 Urbana-Champaign 연구 노력은 한때 불가능하다고 생각되었던 작은 분자의 구조를 명확하게 시각화하는 이미징 기술을 가속화하고 있습니다. 그들의 발견은 플라스틱에서 의약품에 이르기까지 일상 생활 응용 분야를 개선하는 데 무한한 잠재력을 발휘합니다.

재료 과학 및 공학부 부교수는 공동 저자인 캘리포니아 버클리에 있는 로렌스 버클리 국립 연구소의 2021년 졸업생이자 박사후 연구원인 Blanka Janicek과 화학과 대학원생인 Priti Kharel과 팀을 이루었습니다. 연구자들이 작은 분자 구조를 시각화하고 현재 이미징 기술을 가속화할 수 있는 방법론을 입증합니다.

추가 공동 저자로는 대학원생 배상현, 학부생 Patrick Carmichael 및 Amanda Loutris가 있습니다. 그들의 동료 검토 연구는 최근 Nano Letters에 게재되었습니다.

연구팀의 노력으로 분자의 원자 구조가 드러났고, 이를 통해 연구자들은 분자가 어떻게 반응하는지 이해하고, 화학적 과정을 배우고, 화학적 화합물을 합성하는 방법을 확인할 수 있습니다.

Huang은 “분자의 구조는 그 기능의 기본입니다. "우리 작업에서 우리가 한 일은 그 구조를 직접 볼 수 있게 하는 것입니다."

작은 분자의 구조를 보는 능력은 매우 중요합니다. Kharel은 탈리도마이드라고 알려진 약물의 예를 들어 얼마나 중요한지를 공유합니다.

60년대에 발견된 탈리도마이드는 입덧을 치료하기 위해 임산부에게 처방되었으며 나중에 심각한 선천적 결함을 유발하거나 경우에 따라 사망까지 초래하는 것으로 밝혀졌습니다.

무엇이 잘못되었나요? 이 약물은 혼합된 분자 구조를 가지고 있었는데, 하나는 입덧을 치료하는 역할을 하고 다른 하나는 불행하게도 태아에게 파괴적인 부작용을 초래했습니다.

반응형 과학이 아닌 능동적인 과학의 필요성으로 인해 Huang과 그녀의 학생들은 원래 순수한 호기심에서 시작된 이 연구 노력을 추구하게 되었습니다.

"이러한 분자의 구조를 정확하게 결정하는 것은 매우 중요합니다"라고 Kharel은 말했습니다.

일반적으로 분자 구조는 핵자기공명이나 X선 회절을 사용하는 시간이 많이 걸리고 어려운 접근 방식인 간접 기술을 사용하여 결정됩니다. 더 나쁜 것은, 간접적인 방법은 과학자들이 수십 년 동안 분자 구성에 대해 잘못된 이해를 제공하는 잘못된 구조를 생성할 수 있다는 것입니다. 소분자 구조를 둘러싼 모호함은 직접 이미징 방법을 사용하여 제거할 수 있습니다.

지난 10년 동안 Huang은 생물학자들이 큰 분자를 동결하여 구조의 고품질 이미지를 캡처하는 극저온 전자 현미경 기술에서 상당한 발전을 이루었습니다.

"제가 가졌던 질문은 무엇이 그들이 작은 분자에 대해 동일한 일을 하는 것을 방해하는가였습니다." 황이 말했다. "만약 우리가 그렇게 할 수 있다면 구조를 풀고 식물이나 동물이 만드는 천연 화합물을 합성하는 방법을 알아낼 수 있을 것입니다. 이것은 훌륭한 질병 투사처럼 정말 중요한 것으로 판명될 수 있습니다." 황이 말했다.

문제는 작은 분자가 큰 분자보다 100배 또는 심지어 1,000배 더 작아 구조를 감지하기 어렵다는 것입니다.

Huang의 학생들은 작은 분자의 구조를 나타내기 위한 이미징 기술을 개발하기 위한 출발점으로 기존의 큰 분자 방법론을 사용하기 시작했습니다.

큰 분자와 달리 작은 분자의 이미징 신호는 주변 환경에 의해 쉽게 압도됩니다. 연구팀은 전자현미경의 가혹한 환경으로부터 보호막 역할을 하는 얼음을 사용하는 대신 작은 분자의 구조를 그대로 유지하기 위한 또 다른 계획을 고안했습니다.

분자의 환경을 어떻게 조절할 수 있습니까? 그래핀을 사용하여.

단단한 육각형 모양의 벌집 격자를 형성하는 단일 탄소 원자 층인 그래핀은 이미징 중에 손상 반응을 소멸시킵니다.

소분자의 환경을 안정화시키는 것은 일리노이주 연구자들이 관리해야 했던 단 하나의 문제였습니다. 연구팀은 또한 분자를 밝히기 위해 일반적으로 사용되는 선거 횟수의 100만분의 1만큼 낮은 전자 사용을 제한해야 했습니다.