Many medicines are twisted molecules with two mirror image versions, but the body uses only one. Inspired by photosynthetic bacteria, a team at the University of Michigan built a catalyst that guides chemical reactions toward the right version of twisted molecules. It could lead to more efficient production of some medicines.

The curl in drug molecules, a property that's known as chirality, helps them to interact with similarly curved molecules in human cells. The molecule with the opposite curve is inactive or, in the worst case can be very toxic. Yet chemical processes usually give us both versions of chiral molecules, or enantiomers, in equal amounts.

"Chiral catalysts today have been optimized to work in liquids that are expensive and environmentally unfriendly. These catalysts can produce left- or right-enantiomers almost exclusively, but when we want to carry reactions in water, they are destroyed," said Nicholas Kotov, the Joseph B. and Florence V. Cejka Professor of Engineering, who led the team that designed and tested the new catalyst.

It would be cheaper and safer to run reactions in water. The catalysts developed by Kotov's team can do this. They are assemblies of mineral nanoparticles, made chiefly from zinc oxide. They mimic nanoscale organs in bacteria, and they are at least 10 times better at selecting a particular version of a chiral molecule than earlier catalysts of this type.

"Our chiral selectivity is consistently above 20% while the previous reactions of similar type barely broke 1%," said Kotov. "Twenty percent may not seem like much, but already it is technologically valuable because it substantially reduces the cost of the intended product."

For instance, some medications -- which currently contain equal amounts of the active and inactive enantiomers -- could be produced more efficiently with these catalysts.

"Cost savings are already possible because the catalysts are inexpensive, stable and reusable. Replacing organic solvents with water also makes a large difference both for economics and the environment."

This is how the catalysts work: the gaps between the chiral nanoparticles within the 0.0001-millimeter "supraparticle" are twisted, so they prefer to host molecules with a similar curve. The nanoparticles catch light and transform it into electrical charges, which are passed to the molecules in the gaps.

The molecules use the energy to form a new bond. The molecules with the correct twists spend more time inside the supraparticle, so they end up producing more of the twisted products.

The team is exploring how to improve the chiral selectivity further, perhaps by using twisted light.

The study is published in the journal Nature Communications. It was funded by the U.S. National Science Foundation, National Natural Science Foundation of China, Department of Defense and Air Force Office of Scientific Research.

Science Daily

더 저렴하고 안정적이며 친환경적인 나노 촉매제 개발

많은 의약품들은 두 가지 형체의 거울상 이성질체를 갖고 있지만, 신체는 그 중 하나만 사용한다. 광합성 박테리아에서 영감을 받은 미시간 대학(University of Michigan)의 한 연구팀은 뒤틀어진 분자의 올바른 버전으로 화학 반응을 유도하는 촉매를 만들었다고 발표했다. 이를 통해 일부 의약품의 생산 효율을 높일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

키랄성으로 알려진 특성인 약물 분자의 컬은 인간 세포에서 유사하게 구부러진 분자와 상호작용하도록 도와준다. 반대곡선을 가진 분자는 비활성이거나, 최악의 경우 독성이 있을 수 있다. 하지만 화학 과정은 보통 우리에게 키랄 분자 또는 이성질체의 두 가지 버전을 동일한 양으로 제공한다.

새로운 촉매를 설계하고 테스트한 연구팀을 이끌었던 조셉 B.와 플로렌스 V. 세즈카 공학 교수인 니콜라스 코토프(Nicholas Kotov, the Joseph B 그리고 Florence V. Cejka의 공학박사)는 "오늘 날의 키랄 촉매는 비싸고 환경친화적이지 않은 액체에서 작용하도록 되어있고, 이 촉매는 한쪽으로 치우친 좌우 거울상 이성질체를 만들어 낼 수 있지만 물에서의 반응 유도 실험을 할 경우 파괴되는 성질을 갖고있다"고 말했다.

물 속에서의 반응 유도 실험은 다른 실험보다 저렴하고 보다 안전할 수 있다. 이를 위해 코토프(Kotov) 연구팀이 물 반응 실험이 가능한 촉매를 개발했다. 이들은 주로 산화 아연으로 만들어진 미네랄 나노 입자의 집합체이다. 그들은 박테리아에서 나노 스케일 기관을 모방하여, 이 유형의 초기 촉매보다 키랄 분자의 특정 버전을 선택하는 데 적어도 10 배 더 뛰어나다.

코토프(Kotov) 교수는 “키랄 선택성은 지속적으로 20%를 넘지만, 유사한 유형의 이전 반응은 거의 1%도 돌파하지 못하였다"고 말했다." “20%라는 수치는 그다지 많아 보이지 않지만, 이는 이미 기술적으로 가치가 있다. 왜냐하면 이는 의도된 제품의 비용을 상당히 감소시키기 때문이다."라고 언급하였다.

예를 들어, 같은 양의 활성 및 비활성 거울상 이성질체를 동일한 양으로 함유하고 있는 일부 약물은 촉매제 사용을 통해 더 효율적으로 생산 될 수 있다.

"촉매제가 저렴하고 안정적이며 재사용이 가능하기 때문에 비용절감 방면에서 유리하다. 유기용제를 물로 대체하는 것 또한 경제와 환경 측면에서 큰 변화를 이끈다."

촉매가 작용하는 방식은 다음과 같다. 즉, 0.0001 밀리미터 "초 입자" 내의 키랄 나노입자 사이의 간격은 꼬여 있어 그들은 유사한 곡선을 가진 분자를 호스트하는 것을 선호한다. 나노 입자들은 빛을 잡아서 이를 전기 전하로 전환시키고, 그 전하는 그 간격에서의 분자들에게 전달된다.

분자들은 에너지를 이용하여 새로운 결합을 형성한다. 꼬여있는 분자들은 초 입자 안에서 더 많은 시간을 보내기 때문에 꼬임이 있는 산물을 더 많이 생산하게 된다.

연구팀은 뒤틀린 빛을 통해 키랄 선택도를 어떻게 더 향상시키는지에 관하여 탐구하였다.

이 연구는 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 실렸다. 이는 미국 국립과학재단, 중국 국립자연과학재단, 국방부 및 공군과학연구소사무실로부터 자금지원을 받았다.

사이언스 데일리