Bilgisayar Destekli Araştırmalarda Yeni Dönüm Noktalarına Ulaşıldı.

Bilgisayarlar onlarca yıldır bilimsel araştırmalara güç katıyor. Fakat bu yıl, makine öğrenimi ve kuantum hesaplamadaki bazı gelişmeler çıtayı daha yukarılara taşıdı. BASF ve Dow Chemical gibi dev kimya şirketleri, ticari uygulamalardaki gelişmelerden yararlanabilmek için IBM ve Hewlett Packard Enterprise gibi bilgisayar devleriyle ittifaklar kurdular.

Makine öğrenimi bilgisayarların, katı programlama talimatlarının ötesine geçmesini ve kararları öğrenip uygulayarak büyük veri setleri temelinde tahminler yapmasını sağlayan algoritmaları ifade eder. Ses ve yüz tanıma, e-posta filtreleme ve hava tahmini gibi programlar bu tür algoritmaları kullanır.

Kimya alanında, Washington Üniversitesi’nden David Baker ve arkadaşları, bu tekniği kullanarak, yapıların bilinmediği 600 ailelik proteinlerin üç boyutlu konformasyonlarını belirledi (Science 2017, DOI: 10.1126 / science.aah4043) ve uluslararası bir ekip, bilgisayarın molekül yapısına dayalı olarak bir bileşiğin kokusunu tahmin etmesini sağlamak için bu yöntemi kullandı. Bu ilerleme, koku alma anlayışını genişletiyor ve bir gün parfüm endüstrisine de fayda sağlayabilir (Science 2017, DOI: 10.1126 / science.aal2014). Makinelerin öğrenme stratejileri, moleküler elektronik yapıların hesaplanmasında da ilerleme kaydetti. (Nat. Commun. 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00839-3).

Bazı araştırmacılar geleneksel bilgisayarların kimya öğrenme yeteneklerini zorlarken IBM, Microsoft ve Google bilim adamları kuantum bilgisayarlarda ilerleme kaydetti. Kuantum bilgisayarlar, dalga fonksiyonlarını elektron enerjileri ve durumlarının üstüste bindirilmesi olarak temsil etmek için qubits olarak bilinen manyetik elementleri veya diğer iki halli kuantum sistemlerini kullanırlar.

Araştırmalar, kuantum bilgisayarların geleneksel bilgisayarların hesaplayamadığı karmaşık moleküllerin özelliklerini hesaplamasını mümkün kılmalıdır. Ancak bu öngörü henüz kanıtlanamadı. Yine de, IBM’deki araştırmacılar bu yıl lityum hidrid ve berilyum hidrid’in temel durum enerjilerini hesaplamak için 7 qubits kuantum bilgisayar kullanarak bir dönüm noktasına ulaştı. Bunlar, kuantum hesaplamayı kullanarak hidrojen ve helyumdan daha büyük atomları içeren moleküllerin ilk hesaplamalarıydı. (Nature 2017, DOI: 10.1038/nature23879).

Elektrik Akımını Bir Reaktif Olarak Kullanmak.

Tehlikeli kimyasallardan kaçınarak daha az atık üreten ve maliyeti düşük organik reaksiyonların gelişimini hızlandırdı.
Elektrokimya söz konusu olduğunda akla ilk gelen şey piller ve güneş pilleri ya da elektrokaplama gibi endüstriyel işlemler olabilir. Elektrokimyasal sentez, kimyagerler tarafından iyi bir şekilde bilmesine rağmen kimyagerler, çok hantal veya pahalı olduğuna inandıkları C-H aktivasyonu veya aren çapraz bağlamalar gibi ortak organik reaksiyonlar için bu yaklaşımı benimseme konusunda isteksiz davrandılar. Ancak teknoloji 2015 yılından bu yana trend oldu ve araştırmalar bu yıl büyük hız kazandı.

Washington Üniversitesi’nden Kevin D. Moeller, “Kimyagerler elektrokimyayı, herkesin tekrarlaması zor olan ilginç reaksiyonların yapıldığı bir alan olarak görüyorlar. Bu görünüm değişiyor. Alan, popülerlik konusunda çarpıcı şekilde gelişiyor” diyor.

Elektrik akımı, yer değiştirici bir reaktif olarak kullanıldığında, toksik veya tehlikeli reaktifleri, koruyucu grupları ve tipik olarak organik sentezde kullanılan katalizörleri kullanmamamızı önleme olanağı sunar. Ayrıca, elektrosentez, reaksiyon kaplarını ısıtma ve soğutma ihtiyacını azaltabilir veya ortadan kaldırabilir, böylece enerji tüketimini de düşürebilir. Bu avantajlar daha karmaşık moleküller yaratmamıza olanak sağlar ve bunu daha yeşil, daha sürdürülebilir, daha güvenli ve daha uygun maliyetli bir şekilde yapar.

Bir örnekte, Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz’tan Siegfried R. Waldvogel ve grubu Evonik Industries’deki araştırmacılarla işbirliği içinde, önemli kimyasal ara ürünler olan biaril dioller ve diaminler oluşturmak için bir adımlı bir elektrokimyasal metot oluşturdu (C & EN, 13 Mart sayfa 23).

Waldvogel, “Bu çalışma olağanüstü, Elektrosentez yıkıcı bir teknolojiyi temsil ediyor ve endüstri için bir oyun değiştirici olacak” dedi.
Araştırma grupları, elektrokimyasal olarak tepki veren reaksiyonları geliştirmenin yanı sıra, organik sentezler için özel olarak kullanıcı dostu enstrümanlarında geliştirmesine yardımcı oluyorlar.

Yeniden Keşfedilen ve Modifiye Edilen Enzimler.

Bu yıl yapılan en önemli çalışmaların bir diğeri’de, gelişmiş alken oksidasyonları, yağ asidi dekarboksilasyonları ve aromatik alkilasyonlardır.
Enzimler, kimya araştırmalarında, kimya ve gıda işleme endüstrisinde kilit rol oynamaktadır. Enzimler ile ilgili araştırmalar bu yıl yaklaşık 200 makalede yer aldı. Bunların arasında birçok yeni keşif hikayesi var. Örneğin araştırmacılar, biyoteknoloji endüstrisi için yararlı sentezleri katalize edebilen yeni enzimler buldular ve bilinen enzimleri zorlu organik reaksiyonları düzenleyecek şekilde yapay olarak geliştirdiler.
Harvard Üniversitesi’nden Emily P. Balskus “Sanırım yeni bir enzim keşfi dönemine giriyoruz. “Biyokataliz ve sentetik biyoloji kullanarak erişebildiğimiz molekül türlerini genişletmek, keşif veya mühendislik yoluyla yeni kimyasal dönüşümler gerçekleştiren enzimleri tanımlamamızı gerektiriyor” diyor.

FRIEDEL-CRAFTY BACTERIA

Balskus’un Harvard’daki grubu silindirik siklofan olarak adlandırılan aromatik doğal ürünleri sentezlemek için siyanobakterilerin kullandığı enzimleri saptadı. Buldukları bir enzim olan CylK, aromatik halkaları alkil halojenür gruplarıyla süslüyor. Bir başka CylC, siyanobakterilerin CylK tepkimesini (şemada gösterilen) çalıştırması gereken alkil klorürleri üretir. Araştırmacılar şu anda CylK’nın kristal yapısını çözmeye çalışıyor ve enzimin substratlar olarak daha geniş çeşitlilikteki yapı taşlarını kabul etmesini umuyorlar.

EVOLVED OXIDIZER

Bir aldehit oluşturmak üzere bir uç alkenin son karbonunu oksitlemek için kimyagerler genellikle nonenantioselektif ve oldukça verimsiz yöntemleri kullanmak zorunda kalmıştır. (anti-Markovnikov alken oksidasyonu) Caltech’ten Frances H. Arnold ve arkadaşları, daha iyi çalışan bir anti-Markovnikov enzimini geliştirmek için yönlendirilmiş evrim adlı bir teknik kullandılar. Yönlendirilmiş evrim, enzimleri doğuşta olmayan yeteneklerle donatan, tekrar eden bir protein mutasyonu ve tarama işlemidir. Arnold’un ekibi, P450LA1 olarak adlandırılan geleneksel bir alken oksidasyon enzimini, aMOx (Science 2017, DOI: 10.1126 / science.aao1482) olarak adlandırılan ağırlıklı olarak stereoseçici anti-Markovnikov katalizörüne dönüştüren ve yerine geçen 12 amino asit (kırmızı daireler) tespit etti. AMOx’un üretkenliği bazı mevcut ticari alken oksidasyon katalizörlerinin 400 katına yakındır.

ENLIGHTENING DISCOVERY

Fransız Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Komisyonu’ndan Fred Beisson önderliğindeki bir ekip, mikroalgelerin yağ asitlerini alkanlara veya alkenlere dekarboksilatlamak için ışığı kullanan olağandışı bir enzime sahip olduklarını keşfetti (Science 2017, DOI: 10.1126 / science.aan6349). Araştırmacılar, hidrokarbonları sentezleyen, ancak genellikle bu görevi yerine getiren enzimler için genlere sahip olmayan mikroalgları araştırdılar. Mikroalglerden enzimler arıtılarak, benzeri görülmemiş etkinliğe sahip bir fotoenzim olan yağ asidi fotodekarboksilaz (koaktör flavin adenin dinükleotidi ve bir palmitik asit substratı ile gösterilmiştir) yağlı asitleri 14 ila 18 karbonlu alkanlar veya alkenlere dönüştürdüklerini tespit ettiler. Yeni fotoenzim biyobazlı hidrokarbonların üretilmesi için yararlı olabilir.

Sürekli Akış Kimyası Endüstri İçin Kullanılabilir Hale Geliyor.

Akış kimyası, son yıllarda akademik alanda düzenli olarak yerini alıyor ve 2017’de sürekli kimyasal sentez yöntemi, ilaç endüstrisinde ilerleme sağlamayı başardı.

Bir kilometre taşı olarak: Eli Lilly & Co.’daki kimyagerler, kemoterapi ilacı adayı olan prexasertib monolaktat monohidrat yapmak için daha güvenli, daha hızlı ve daha ucuz bir yöntem olarak sürekli akış kimyasını kullandı.
Lilly ekibi, bileşimi yapmak için sekiz sürekli proses adımı kurdu. Bir adımda, roket yakıtının bir bileşeni olan ve toplu işlemde kullanmak çok tehlikeli olacak olan hidrazin kullanıldı. Ancak belki de bu sentezin en dikkat çeken kısmı, kimyagerlerin, düzenleyici kurumlar tarafından ilaç üretimi için gerekli olan mevcut İyi Üretim Uygulamaları (cGMP) standartlarını elde etmek için sürekli üretim sürecindeki son aşamaları kalite kontrol sistemlerine bağlamış olmalarıdır (Science 2017, DOI : 10.1126 / science.aan0745).

Akış kimyası bu yıl başka yerlerde de popülerdi. Akış kimyası şirketi Snapdragon, önemli bir ilaç ara maddesinin allenillityumun (aşağıda ) hazırlanması için Pfizer ile ortaklık kurdu. Snapdragon ayrıca, ilaç imalatı için akış kimyası konusunda işbirliği yapmak için önde gelen toptan ilaç kimyasalları tedarikçisi Johnson Matthey ile bir anlaşma imzaladı.

Küçük Makineler İçin Büyük Hareketler.

1980’lerden beri, kimyagerler moleküler makineler yaratıyor. Üç moleküler makine öncüsü 2016 yılında Nobel Kimya Ödülünü kazandığında, alan belirli bir ivme kazandı. Bu yılda moleküler makineler üzerindeki çalışmaların devam etmesi sürpriz olmadı. Bunlara ek olarak bir motor-rotor kombinasyonu, pil performansını artırmak için tasarlanmış polimer kasnaklar ve dünyanın ilk nanokar yarışı da dahildi.

2016 Nobel ödüllülerinden biri olan Ben L. Feringa, “Alanda yaşanan ivmelendirmenin görülebilmesi çok büyüleyici” diyor. “Moleküler pompalardan, şekil hafızalı polimerlere kadar uzanan son derece zarif tasarımlar, moleküler makinelerin duyarlı ve uyarlanabilir davranış göstereceğini ve çok sayıda potansiyel uygulama sağlayabileceğini yansıtıyor.”

Nanocar’lar yarış aşamasına geçti. Nisan ayında altı uluslararası takım, dünyanın ilk nanocar yarışına katıldı. Liderlik, Rice Üniversitesi’nden James M. Tour ve Graz Üniversitesinden Leonhard Grill liderliğindeki Nanoprix Ekibine gitti. Onların aracı, ön ve arkada dipolar tekerlekler, alkinil akslar, bir aril şasi’den oluşmaktaydı.

Rice Üniversitesi’nden James M. Tour liderliğindeki bilim adamları, ultraviyole ışıkla aktive edilmiş molekül motorları hücresel zarların içinden geçebilecek küçük matkap uçlarına çevirdi. Fikir, birkaç dakika içinde hücrelerin bütünlüğünü yok etmek için kanser hücrelerine delik açacak kadar motorun elde edilmesidir. Tur,” Kanser hücreleri, birçok kemoterapi tedavisinde olduğu gibi moleküler motorun hareketine karşı direnç geliştirememektedir” diyor. (Nature 2017, DOI: 10.1038/nature23657).

Manchester Üniversitesi’ndeki David A. Leigh ve arkadaşları, bir α, β-doymamış aldehit alt tabakaya asimetrik olarak tiol ve alken ekleyerek dört farklı ürün oluşturan programlanabilir bir moleküler makine kurdular. Makine, R stereokimyası için bir alan ve pH’ya bağlı olarak S stereokimyası için bir alan arasında hareket eden bir kol ve döner anahtar içerir (Nature 2017, DOI: 10.1038 / nature23677).

Groningen Üniversitesi’nden Ben L. Feringa, grubunun kendisine bir rotor takarak klasik ışıkla harekete geçiren moleküler motor yaratarak moleküler motorlardaki karmaşıklığı bir ileri seviyeye taşıdı. İki bileşen, montajın karmaşık stereokimyasal tasarımı sayesinde senkronize hareketle dönüyor (Science 2017, DOI: 10.1126 / science.aam8808).

Stasbourg Üniversitesi Nicolas Giuseppone liderliğindeki bir ekip, ışıkla aktive olan moleküler makinelerin iki tipini birleştirerek, polimer zincirlerini rüzgarla sönüp bükülen bir bükme sistemi yarattı ve bunun sonucunda üzerinde parlayan dalga boyuna bağlı olarak daralan ve genişleyen bir malzeme elde edildi. Sistem, örneğin suni kaslarda yeni tür aktüatörlere yol açabilir (Nat. Nanotechnol 2017, DOI: 10.1038 / nnano.2017.28).

Ali Coskun ve Jang Wook Choi’nin liderliğindeki Kore Gelişmiş Bilim ve Teknoloji Enstitüsünde, bir silikon anoda ilave edildiğinde, anot boşaltma sırasında anotun maruz kaldığı gerilimi hafifletebilen, böylece daha uzun süre dayanacak polimerler geliştirdi.

Polimerin başarısının sırrı: doğrusal polimer poliakrilik asitten mekanik bağlar içeren polirotaksanlara kovalent bağlı bir ağdır. Pil şarj işlemi sırasında, silikon anot genleştikçe, polyrotaxanes halkaları, bir kasnak sistemi gibi çalışan, gerilimi dağıtmak için zincir boyunca serbestçe kayar (Science 2017, DOI: 10.1126 / science.aal4373).

Modüler bir mikroakışkan cihaz adet döngüsünü çoğaltır ve yapay bir yumurtalık farelerde doğurganlığı iyileştirir.

Dişi üreme sistemi karmaşıktır. Birden fazla organ, doku ve hormonların hepsi doğru çalışabilmeleri için senktron halinde çalışmalıdır ve bunu yapay bir cihazda tekrarlamaya çalışmayı hayal edin. Northwestern Üniversitesi’nden Teresa K. Woodruff ve arkadaşları bu yıl bu araştırmaları yaparak bu sistemin mühendislik sürümlerini hazırlamada çok sayıda ilerleme kaydetti.

İlk önce, Woodruff’un ekibi 28 günlük menstruasyon döngüsünün hormonal profillerini çoğaltan Evatar adlı mikroakışkan bir cihazı geliştirdi(Nat Commun. 2017, DOI: 10.1038 / ncomms14584). Evatar, fare yumurtalıklarından ve insan fallop tüpünden, rahim, rahim ağzı ve karaciğerden kültürlenmiş doku içeren modülleri, mikroakışkan kanallar ve pompalar ile bağlar. Araştırmacılar folikülü uyaran hormonu ekleyerek adet döngüsünü başlatıyorlar. Buna karşılık, yumurtalık modülü östrojen üretir. 14. günde, yumurtlamayı tetiklemek için lüteinizan hormon eklerler. Buna karşılık, yumurtalık modülü östrojen üretimini durdurur ve progesteron üretmeye başlar. Araştırmacılar normalde sistemde bulunmayan hipofiz bezi tarafından üretildiği için dış hormon eklemeleri gerekir.

Woodruff üreme sisteminde durmayı beklemiyor. Ekibi, östrojen gibi hormonların vücudun diğer sistemlerini nasıl etkilediğini araştırmak için diğer doku türleriyle modüller eklemeyi planlıyor. Şu anda araştırmacılar, cihaz üzerinde metabolizma sağlamak için insülin üreten pankreas organoidleri var ve erkek testosteron üretimi üzerindeki ilaçların toksisitesini incelemek için testis ve prostat kültürleri kullanıyorlar.

Cornell Üniversitesi araştırmacıları, bu yıl tekli polimer zinciri büyümesinin ilk gerçek zamanlı görüntüsünü elde etti.
Çalışma, araştırma grubu ve polimer araştırma topluluğu için büyük bir sürpriz oldu. Cornell ekibi, bir çift manyetik cımbız, optik mikroskopi ve spektroskopik teknikler kullanarak bireysel polimer zincirlerinin kimyagerlerin tahmin ettiği gibi bir katalizörden sorunsuz ve sürekli bir şekilde büyümediğini keşfetti, bunun yerine art arda bekledikleri ve atlamak için adımlar attıklarını keşfettiler (Science 2017, DOI : 10.1126 / science.aan6837).

Analitik tekniklerin zorlukları nedeniyle polimer büyümesinin nasıl yürüdüğü görüşü karanlıktı. Araştırmacılar, bir polimer örneğindeki tüm moleküllerin bir kerede gözlemlenmesi için dinamik ışık saçılması gibi yöntemleri aynı anda kullanıyorlar, daha sonra verilerden zincirlerin ve diğer polimer parametrelerinin boyut dağılımları hakkında bilgi çıkarıyorlar.

Peng Chen, Geoffrey W. Coates ve Fernando A. Escobedo liderliğindeki Cornell ekibi, moleküler dinamik bilgisayar simülasyonlarıyla deneysel yaklaşımını birleştirerek, polimer büyümesinin bir görünümünü elde etti. Araştırmacılar, mekanizmasıyı, binlerce yeni monomer birimi büyüyen zincire eklendiğinden katalizör etrafında şekillenen saç topları olarak adlandırılan polimer karmaşıklarının oluşumuna bağlıyorlar. Saç topları birkaç dakika sonra rastgele çözülür ve yeni bir saç topu oluşur.

Ekip, araştırmacılara polimerizasyon işlemlerini daha iyi anlamalarına yardımcı olmanın yanı sıra, hücrelerin proteinleri, nükleik asitleri ve polisakaritleri nasıl ürettiği ile de ilgili olabilir.

Bilim adamları, bedenlerimizde yaşayan mikropların biyolojimizi nasıl etkilediğini bulmaya devam ediyor.

Araştırmacılar hastalığı tedavi etmek veya önlemek için probiyotik bakterileri geliştirmek için bu bilgiyi uygulamayı umuyor.
Bu yıl, bilim adamları probiyotik alanında önemli gelişmeler kaydetti. Kırsal bölgedeki Hindistan’da 4,500’den fazla bebeğin katıldığı bir araştırmada, bir prebiyotik şeker ile birleştirilmiş probiyotik bir bakteri, kanda bakteri enfeksiyonu ile tetiklenen potansiyel olarak ölümcül bir enflamatuar durum olan sepsisi önledi. (Nature 2017, DOI: 10.1038 / nature23480).
Nebraska Tıp Merkezi Üniversitesinden Pinaki Panigrahi, eşbiyotik adı verilen kombinasyonun gelişmekte olan ülkelerde erken bebek ölümleri ile baş etmeye yardımcı olmak için ucuz bir yol sağlayabilir. Çok yıllık denemede, synbiotik sepsis ve ölüm vakalarını % 40 oranında azalttı.

Araştırmaya başlamadan önce Panigrahi’nin ekibi hücre kültürlerinde ve tavşanlarda bağırsaklarına yapışabilen zararlı bakterilerin bağırsaklara bağlanmasını ve bağırsaktan kan dolaşımına atılmasını engelleyebilecek mikropları bulmak için 200’den fazla bakteri çeşidini taradı. Ayrıca, prebiyotik şeker fruktooligosakaritin, Lactobacillus plantarum’un optimal genine yardımcı olduğunu, bağırsak koloni haline getirdiğini keşfettiler. Warner, probiyotik suşlarla ilgili bu tür ön araştırmanın “probiyotik literatürde sıklıkla görülmediğini” belirtti.
Warner, “Bu çalışma, bağırsak mikrobiyomlarımızı değiştirmek için yollar tasarlayabileceğimiz fikrini pekiştiriyor” diyor.