Un nouveau cadre métal-organique (MOF), APF-80, permet à la méthode de l'éponge cristalline de capturer et d'analyser les composés nucléophiles. Les alcaloïdes, un groupe diversifié de composés biologiquement actifs, endommagent généralement les cristaux MOF et résiste à l'étude. En incorporant plusieurs motifs structurels, ces invités sont encapsulés à l'intérieur d'APF-80, ce qui permet une collecte de données cristallographiques de haute qualité. Ce développement ouvre de nouvelles possibilités d'analyse structurelle, de faire progresser le développement des médicaments et la biochimie.
Les alcaloïdes sont une famille diversifiée de composés naturels qui contiennent de l'azote. Trouvés dans les plantes, les animaux et les micro-organismes, ils jouent des rôles importants dans la nature, tels que la défense et la communication. De nombreux alcaloïdes sont bien connus pour leurs effets uniques et puissants sur les organismes vivants même en quantités infimes, ce qui les rend extrêmement précieuses pour la science et la médecine. Certains exemples familiers incluent la caféine, la nicotine, la quinine et la morphine – des substances qui ont façonné des habitudes quotidiennes et des traitements sauvant.
Les alcaloïdes portent souvent des structures moléculaires complexes avec des éléments tridimensionnels, et les caractériser est une tâche difficile. Les techniques d'analyse moléculaire comme la diffraction des rayons X nécessitent que le composé cible soit sous forme cristalline. Cependant, la croissance d'un seul cristal est une tâche non triviale sans limites supérieures sur le temps et les efforts. Mais que se passe-t-il si nous pouvions transmettre l'ordre cristallin sur les alcaloïdes en utilisant un cadre moléculaire soigneusement conçu, répondant ainsi aux exigences des techniques basées sur la diffraction?
Dans une étude récente, une équipe de recherche dirigée par le professeur Masaki Kawano et le professeur adjoint Yuki Wada du Département de chimie de la School of Science de l'Institut des sciences Tokyo, au Japon, ont élargi la méthode Crystalline Sponge (CS) pour la rendre compatible avec les alcaloïdes. Leur travail est publié dans le Journal de l'American Chemical Society.
La technique CS est une méthode innovante introduite en 2013 qui permet aux scientifiques d'utiliser une analyse basée sur la diffraction sur des molécules qui sont autrement trop difficiles à cristalliser par elles-mêmes. Au lieu de cultiver des cristaux à partir du composé cible, la méthode fonctionne en trempant les molécules dans un cadre poreux cristallin qui les arrange selon un schéma régulier via des interactions chimiques. Malheureusement, les cadres CS conventionnels sont facilement dégradés par des composés nucléophiles, tels que les alcaloïdes, entravant leur application pour de telles molécules.
Dans ce contexte, l'équipe de recherche a développé un nouveau cadre métal-organique (MOF), qu'ils ont appelé APF-80. Ce MOF possède plusieurs motifs structurels qui lui permettent de capturer les invités nucléophiles et de les immobiliser à l'intérieur du pore tout en maintenant son intégrité structurelle.
« L'APF-80 dispose d'un environnement de pores hydrophiles et de sites de coordination labile à double labitude, permettant l'utilisation synergique des liaisons de coordination et des liaisons hydrogène pour immobiliser les molécules des invités », explique Kawano.
En utilisant APF-80, les chercheurs ont capturé et résolu les structures de 12 composés nucléophiles en utilisant la diffraction des rayons X. Ceux-ci comprenaient des alcaloïdes naturels comme la caféine et la nicotine, des composés pharmaceutiques tels que l'oméprazole et l'abacavir, et un intermédiaire auparavant non déclaré.
À partir des structures obtenues, l'équipe de recherche a identifié cinq types d'interaction distincts par lesquels APF-80 capture et interagit avec les composés nucléophiles. « L'interactivité diversifiée à l'intérieur de l'APF-80 a facilité l'adaptation effective de formes moléculaires et de groupes fonctionnels variés, stabilisant leurs positions et orientations à l'intérieur du pore », explique l'AMA, « ces propriétés nous ont permis d'obtenir des données cristallographiques de haute qualité, qui nécessitaient des restrictions ou des contraintes minimales au modèle. »
Grâce à ce soi-disant mécanisme d'alignement synergique multimodal, APF-80 permettra d'appliquer la puissante technique CS aux alcaloïdes et autres molécules nucléophiles. Avec un peu de chance, ce travail ouvrira la voie à des découvertes passionnantes en biochimie, en médecine et en sciences alimentaires.
