Licht als chemisches Werkzeug

Ein blaues Licht, das häufig in Aquarien und Indoor-Gärten verwendet wird, könnte Chemikern helfen, eine der größten Herausforderungen der Medikamentenentwicklung zu lösen: komplexere Moleküle zu bauen, ohne kostspielige Reaktionsschritte hinzuzufügen.

Viele Medikamente basieren auf kleinen kohlenstoffreichen Molekülen. Ihre biologischen Wirkungen hängen stark von ihrer Form ab — dreidimensionalere Moleküle können biologische Ziele mit größerer Präzision treffen und so Wirksamkeit und Selektivität verbessern. Aber diese komplexen Formen herzustellen, erfordert normalerweise zusätzliche Zeit und Materialien.

Der Durchbruch

Forscher unter der Leitung der University at Buffalo haben eine sichtbare Lichtreaktion entwickelt, die zwei benachbarte Veränderungen an einem Molekül gleichzeitig vornimmt. Die am 9. Juli in Science veröffentlichte Studie verwendet blaue LEDs, einen lichtempfindlichen Katalysator und weit verbreitete Kohlenstoff-Halogen-Verbindungen.

Normalerweise verändert die Reaktion nur den Kohlenstoff, der das Halogen trug, wenn Chemiker ein Halogen aus einem Molekül entfernen und durch etwas anderes ersetzen. Diese neue Methode erreicht auch den benachbarten Kohlenstoff.

„Wir haben die relativ milden Bedingungen von sichtbarem Licht genutzt, um zu erweitern, was Chemiker mit einem langjährigen organisch-chemischen Grundbaustein machen können", sagt die korrespondierende Autorin Patricia Z. Musacchio, PhD, Assistenzprofessorin für Chemie an der UB.

Warum zwei Kohlenstoffe wichtig sind

Kohlenstoffatome bilden das Gerüst der meisten niedermolekularen Medikamente. Für medizinische Chemiker kann jede nützliche Modifikation zeigen, ob ein Kandidatenmolekül stärker an sein Ziel bindet. Aber jede zusätzliche Reaktion birgt auch Risiken für niedrige Ausbeuten oder chemisches Versagen.

Die Kombination von zwei Modifikationen in einer Reaktion spart mehr als einen einzigen Laborschritt — sie reduziert die Anzahl der Zwischenverbindungen, die hergestellt, isoliert und getestet werden müssen.

„Mehr Veränderungen in weniger Schritten ist entscheidend bei der Herstellung niedermolekularer Medikamente", sagt die Co-Korrespondenzautorin Jennifer Hirschi, PhD, außerordentliche Professorin für Chemie an der Binghamton University.

Die „Buffalo-Boxen"

Die Experimente finden in kleinen beleuchteten Fächern namens „Buffalo-Boxen" statt, die die Regale von Musacchios Labor säumen. Jede Box enthält blaue LEDs, ähnlich denen, die für Aquarien verkauft werden. Die darin befindlichen Gefäße erhalten kontrollierte Lichtexposition, aktivieren den Katalysator und starten die Reaktion.

Sichtbares Licht ist hier wichtig. UV-Licht — häufig in der Photochemie verwendet — kann die erzeugten organischen Moleküle abbauen oder zersetzen. Blaues Licht ist ein viel milderer Ansatz.

Auswirkungen

Das Team plant, mit Pharmaunternehmen zusammenzuarbeiten, um die Reaktion für reale Medikamentenziele anzupassen. Ziel ist es nicht nur, Medikamente schneller herzustellen, sondern komplexere Medikamente zu entwickeln, die anspruchsvolle medizinische Ziele angreifen können, die einfachere Moleküle nicht erreichen.

Quellen