科学家使用一种可以删除单个原子的新技术加速分子设计

每当一种新的癌症药物被宣布时，它代表着数百名科学家在幕后花费数年时间来设计和测试一种新分子。这种药物不仅要有效，而且要尽可能安全，易于制造--这些研究人员必须在其化学结构的数千个可能选项中进行选择。但是为测试构建每个可能的分子结构是一个费力的过程，即使研究人员只是想改变一个碳原子。芝加哥大学化学家和默克制药公司在《科学》杂志上发表的一项新技术提供了一种跨越这一过程的方法，使科学家们能够快速和轻松地生产出感兴趣的新分子。

芝加哥大学化学副理教授、这项新研究的共同作者Mark Levin说：“这使你能够对一个复杂的分子进行调整，而不必完全重新开始设计过程。我们的希望是通过减少进入该过程的时间和精力来加速发现。”

当研究人员在考虑一个分子时，他们可能想要测试许多调整。例如，连接一对氢原子而不是氮原子，可能使身体更容易吸收药物。也许去除一个碳原子会减少一个特定的副作用。但是，实际制造这种新分子可能是令人惊讶的困难。

Levin说：“尽管它表面上看起来像一个小小的开关，但如果不一路回到起点，从头开始，有些东西是无法修复的。这就好比你和一个承包商谈起重修你房子里的一个卫生间，他说，‘对不起，我们必须推倒整个房子，重新开始’。”

Levin实验室的目标是避开这一费力的过程，允许科学家们对几乎完成的分子进行一到两处修改。

在这种情况下，他们希望能够从一类被称为喹啉氧化物的流行和有用的分子中剪下一个单键，并将它们变成另一种类型的分子，即吲哚。Levin说：“从本质上讲，我们想去掉一个碳原子，而让其他所有的东西仍然连接在一起，就像它从未出现过一样。”

他们遇到了一项来自20世纪50年代和60年代的旧技术，该技术利用光来催化某些反应。它今天没有被广泛使用，因为这种方法很强大，但却是任意的；20世纪60年代使用的水银灯发出全光谱的光，在分子中引发了太多的反应--而不仅仅是科学家们想要的那些反应。

但是芝加哥大学的博士生、新论文的第一作者Jisoo Woo认为，过去十年中出现的较新的LED灯的结果可能会有所不同。这些灯可以被编程为只发出某些波长的光。通过只照射特定的波长，科学家们可以只催化一种特定的反应，从而快速而容易地切断碳键。

Levin、Woo和他们的同事想知道这种技术可能有多大的用途。他们与默克制药公司的科学家Alec Christian合作，在几组不同的分子上进行测试。

该技术在几个分子家族中显示出了前景。“例如，我们表明我们可以把胆固醇药物匹伐他汀变成另一种叫做氟伐他汀的胆固醇药物。这是两种完全不同的分子，只因删除了一个碳原子而有关联。”Woo说。“在这种方法之前，你将不得不从两个完全不同的过程和起始材料中制造它。但是我们能够只用一种药物，在一次转化中把它变成另一种药物。”

科学家们希望这个过程能够缓解和加快设计新分子的过程，特别是涉及这种特殊转化的分子，化学家称之为“脚手架跳跃”。

Levin说：“有各种各样的‘脚手架跳跃’，它可以产生一个非常有用的分子，但所涉及的时间太长了，所以化学家们从未关注过它。可能有惊人的药物化合物藏在那里，因为团队只是无法获得时间重新开始。”

Christian对此表示同意：“我看到有些项目走到了十字路口，因为有人想尝试像这样的改变，但甚至需要一个月的时间来制定最初的化学方案。而在这个过程中，你可以在一天内得到答案。我认为很多人都会想使用这种方法。”

为了进行这项研究的一部分，科学家们使用了高级光子源的ChemMatCARS光束线，这是美国能源部阿贡国家实验室的一个巨大的X光同步辐射设施。