Детектирование хиральных биомолекул методами

Детектирование хиральных биомолекул методами, применимыми при
исследовании планет in situ.
Николаев Е.Н. ( ИНЭИХФ РАН), Кукс Грэхам (Purdue University)
Абстракт
Предложение направлено на доказательство возможности применения масс- спектрометрии для
решения проблемы детектирования хиральной асимметрии в органических соединениях и ее
количественного определения на объектах солнечной системы вне Земли. Детектирование хиральной
поляризации будет проводиться на асимметрических органических молекулах, предположительно
образовавшихся во внеземных предбиологических условиях, главным образом на аминокислотах.
Предлагаемая методология использует реперное хиральное соединение известной симметрии, которое
вступает в реакцию образования комплекса с молекулами анализируемого соединения и солью меди.
Тандемный масс – спектрометр используется для диссоциации образующегося комплекса на
составляющие ионно-молекулярные образования. Хиральность анализируемого вещества определяется
по относительной интенсивности пиков диастереомерных ионных комплексов с реперными молекулами
известной хиральности. Будут развиты не только методы распознавания хиральности аминокислот, но и
методы определения концентрации энантиомеров в смесях. Эксперименты будут выполнены с
использованием масс- спектрометра с ионной ловушкой в Педью и спектрометра ионного циклотронного
резонанса с преобразованием Фурье и источником ионов, основанном на методе электрораспыления в
вакуум, имеющемся в распоряжении московской группы. Высокая чувствительность предлагаемого
метода должна позволить анализировать смеси на хиральную чистоту с высокой точностью. Этот метод
будет предложен также для использования в аналитических лабораториях при хиральном анализе
важных биомолекул, таких как аминокислоты и белки. Он является возможной основой для общего
метода молекулярного распознавания в газовой фазе. Мы проведем также эксперименты на других
хиральных кластеро-образующих веществах, таких как тартраты и краунэфиры. Ионы других
переходных металлов, таких как никель(II), железо(II), цинк(II), кобальт(II) и палладий(II), которые
являются хелатообразующими ионами, будут проверены на их эффективность при образовании
димерных и тримерных комплексов на их основе. Дополнительные эксперименты будут проведены с
использованием миниатюрного масс-спектрометра, разрабатываемого в Педью для экзобиологических
применений.
Введение.
В течении 1997-1998, лаборатория, руководимая Николаевым Е. Н., провела исследования
совместно с группой Проф.Д.Футрела из Университета штата Делавэр в рамках проекта CRDF (грант RC1204) под названием «Структурное распознавание молекул в ионно-молекулярных реакциях методом массспектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье». В этих исследованиях была
разработана методика распознавания хиральности в молекулярных системах тартратов, а также выяснена
природа наблюдаемых в этих системах эффектов хиральности (Денисов Э. В., 1997, Николаев Е. Н., 1998).
В результате исследований был сделан вывод о возможности использования предложенного метода для
решения одной из наиболее актуальных проблем современной науки – происхождения гомохиральности в
биологических системах. Предлагаемый проект направлен на дальнейшее развитие метода и его
использования в исследованиях важных, с точки зрения биологии, аминокислот.
Постановка задачи.
Происхождение гомохиральности1 является одной из наиболее важных проблем на пути понимания
Хиральная молекула – это молекула, с несимметричной структурой, которая не может быть наложена на ее
зеркальный образ путем трансляции или вращения. Под гомохиральностью понимается наличие у группы
молекул хиральности одного типа, левого (L-) или правого (D-). Энантиомер – это изомер хиральной
молекулы с хиральностью определенного типа. За редким исключением, организмы земного
1
химической эволюции материи (Lunine, 1999). Существует много различных гипотез, описывающих
химическую эволюцию природы от простейших элементов, через образование неорганических и простых
органических соединений, к появлению сложных органических молекул (жирные кислоты, аминокислоты,
азотсодержащие гетероциклические соединения, и т.п.), и, наконец, образованию в процессах
поликонденсации макромолекул, таких как полипептиды и белки, являющихся зародышами для
последующей биологичекой эволюции2. В то же время, не существует какого-либо общепринятого подхода
к объяснению происхождения гомохиральности в живой природе. В то время как однозначно установлено
наличие гомохиральности в биологических объектах земного происхождения, природа ее происхождения до
сих пор является неизвестной.
Независимо от решения проблемы образования гомохиральности, идентификация постоянной или
остаточной хиральности в планетарных образцах является важным шагом на пути понимания
происхождения жизни на Земле, а также поиска существования следов жизни на других планетах Солнечной
системы. В этой связи, недавнее обнаружение хиральной асимметрии в аминокислотах, найденных в
метеоритных образцах (Engel et all, 1997, Cronin et all, 1997) вызвало широкий резонанс в научном
сообществе (Chyba, 1997). Это открытие было сделано на образцах в условиях научных лабораторий на
Земле, где возможно использование широкого спектра современных аналитических приборов.
Исследование большинства объектов Солнечной системы, в частности планет, в обозримом будущем будет
проводиться in situ, а не путем доставки образцов на Землю. Даже для Марса, доставка образцов на Землю
будет осуществляться только с ограниченных областей при минимальных количествах добываемого образца,
в то время как анализ in situ будет проводиться при использовании разнообразных методов и широком
выборе мест для такого анализа (National Research Council, 1997). В предлагаемом исследовании, мы
намерены создать и продемонстрировать химический метод детектирования избытка энантиомеров
(хиральной поляризации), который может быть применен в различных планетарных условиях вне Земли.
Определение хиральной поляризации in situ для практических целей будет ограничено определенным
классом несимметричных органических молекул, предположительно возникающих во внеземных
предбиологических условиях. Из молекул с несимметричными структурами наибольший
астробиологический интерес представляют аминокислоты и гидроксикарбоновые кислоты.
Аминокислоты представляют большой интерес вследствие их биологической важности, разнообразия и
высокой химической и хиральной стабильности (аминокислоты сохраняют свою начальную
конфигурацию в естественных условиях в течение длительного периода времени). Процессы
предбиологического синтеза, как было показано, дают несколько аминокислот, среди них глицин, аланин,
beta-аланин, саркосин, аминобутановая кислота, аспаргиновая кислота, глютаминовая кислота,
иминоэтановая кислота. Из хиральных аминокислот простейшая, аланин, формируется в сравнительно
происхождения, содержат в своих белковых структурах только энантиомеры аминокислот определенного
типа, а именно, левого (L-энантиомеры). Только мономеры рибозы и 2-диоксирибозы (входящие в
корневую последовательность РНК и ДНК) являются D- энантиомерами. Конкретный выбор природой
хиральности правого или левого типа не столь важен, как наличие в ней гомохиральности. Под хиральной
поляризацией понимается доминирование в смеси энантиомеров молекул одной хиральности.
Как было неоднократно установлено, широкий спектр источников энергии (высокое давление, нагрев,
электрический разряд, излучение) вызывает химические реакции в атмосфере, состоящей из простых газов,
присутствующих в космическом пространстве в различных пропорциях. К ним относятся азот, водород,
метан, аммоний, вода, угарный газ, и углекислый газ. Первичными продуктами этих реакций являются
цианид водорода, дициандиамид, формальдегид, муравьиная кислота, уксусная кислота, а также
гликольальдегид. В меньших количествах появляются более сложные молекулы, что, возможно, происходит
из-за более глубоких превращений первичных продуктов. К этим сложным молекулам можно отнести
несколько десятков веществ, принадлежащих к биологически важным классам соединений, таким как
карбоксильные кислоты, гидроксильные кислоты, аминокислоты, карбогидраты, мочевина и ее
производные, дикарбоксильные кислоты (например, янтарная кислота), и даже такие сложные
гетероциклические вещества, как аденин (Calvin, 1969).
2
больших количествах и, поэтому, должна быть наиболее важной целью исследований. Наиболее
практичным методом для определения хиральной асимметрии во внеземных условиях, по-видимому,
является масс- спектрометрия, несмотря на то, что никогда ранее она не применялась для поиска
хиральных органических систем за пределами Земли. Главной целью нашего предложения является
разработка масс-спектрометрического метода решения проблем детектирования и анализа
энантиомерного состава богатых органическими соединениями внеземных объектов Солнечной системы,
таких как Марс, Европа, и Титан, являющихся спутниками Сатурна. Особый интерес представляют в
этой связи Марс и Титан.
Методы определения хиральности соединений.
Определение энантиомерного состава аминокислот осуществляется в настоящее время с
помощью хроматографии. В 1966 году, Джиль-Ав с сотрудниками впервые разделил энантиомеры
аминокислотных производных с помощью газовой хроматографии. Двумя годами позже, Даванков и
Рогозин осуществили аналогичное разделение с помощью жидкостной хроматографии. С тех пор,
многочисленные хиральные фазы были описаны и исследованы методами газовой и жидкостной
хроматографии, а также капиллярным электрофорезом. Несмотря на значительный прогресс,
достигнутый указанными методами, а также их широкое применение, эти методы не подходят для
исследования объектов внеземного происхождения. Например, метод газовой хроматографии не
подходит для работы в условиях космических экспедиций из-за ограничений по массе, потребляемой
мощности, и размеру, накладываемых на научное оборудование. Кроме того, в условиях таких
экспедиций, когда исследуемый объект имеет низкую температуру, невозможно использование
высокотемпературной хроматографии. Более современный метод капиллярного электрофореза требует
использования высоковольтных источников. Жидкостная хроматография позволяет работать с
немодифицированными аминокислотами, однако разработка методов низкотемпературной экстракции
образца и анализа его энантиомерного состава этим методом находятся в настоящее время в начальной
стадии.
Использование масс- спектрометрии при исследовании хиральности.
В настоящее время является актуальной задачей разработка прямого (нехроматографического)
метода исследования хиральности. Таким методом может стать масс- спектрометрия. В отличие от
хроматографии, масс- спектрометрия позволяет прямую идентификацию образцов и может быть
использована в широком диапазоне температур (что особенно важно, поскольку все указанные выше
объекта Солнечной системы, могущие содержать остаточную хиральную органику биологического
происхождения, имеют очень низкую температуру на поверхности). До недавнего времени считалось,
что с помощью масс- спектрометрии невозможно распознавать хиральность органических веществ.
Ситуация коренным образом изменилась после разработки новых методов ионизации молекул. Эти
методы позволяют получать сложные комплексы хиральных молекул (комплексы, в которых молекулы
соединены друг с другом нековалентными связями, такими как водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса,
и другие). Масс- спектрометрия, считавшаяся долгое время исключительно методом для исследования
газовой фазы, превратилась в метод исследования сложных молекулярных систем. В последние два
десятилетия, исследования хиральных взаимодействий в газовой фазе проводились лишь эпизодически
(например, Сплиттер и др., 1994). Однако, в последнее время такие исследования стали проводиться
систематически для определенного круга ионных комплексов со стабильностью, чувствительной к
хиральности входящих в них молекул.
Предварительные исследования.
В 1996-1998 лаборатория, руководимая Николаевым Е. Н., осуществила серию экспериментов по
исследованию эффектов хиральности в тартратах. Эти исследования проводились в рамках проекта
CRDF (грант RC1-204). Было обнаружено, что хиральный состав кластеров (димеров и тримеров)
определяет их стабильность в газовой фазе. Наиболее стабильными оказались гомохиральные димеры
RRH+ и SSH+, а также тримеры RRRBH+ и SSSBH+ (содержащие только лиганды одного типа
хиральности). Было высказано предположение, что центральный ион BH+ в таких комплексах
(например, R-NH3+, NH4+, H3O, или щелочной ион A+) образует вместе с тримером пропеллерную
структуру тригональной симметрии (Денисов Э. В., 1997). Также была обнаружена необычайно высокая
дискриминация по хиральности в гомохиральных комплексах по отношению к гетерохиральным
соединениям RRSBH+ и RSSBH+, имеющим в своем составе лиганды различной хиральности.
Обнаруженная в этих экспериментах дискриминация по хиральности достигает соотношения 40:1 для
тримеров и 10:1 для димеров. Также были проведены квантово-химические расчеты для объяснения
обнаруженного эффекта. Однако, аналогичные эксперименты, проведенные в группах Николаева и
Футрелла, показали значительно более слабое влияние хиральности на устойчивость димеров, связанных
водородной связью. Этот факт был объяснен исходя из предположения, что координация вокруг протона
происходит таким образом, что никакие внутримолекулярные водородные связи не образуются, а это
приводит, в свою очередь, к меньшим различиям в устойчивости гомо и гетеро димеров. Сильное
влияние типа центрального комплексообразующего иона на различие в устойчивости гомо и гетеро
димеров для тартратов позволяет надеяться на то,что при выборе подходящего центрального иона могут
быть обнаружены хиральные эффекты для ассоциатов аминокислот. Группа Кукса наблюдала
значительные различия в хиральности при образовании кластерных ионов аминокислот при
использовании тандемной масс- спектрометрии ( Буш и сотр. 1988) и мягкой диссоциации выбранного
кластерного иона с двухвалентной медью в качестве центрального иона. При этом не только достигается
хиральное распознавание, но может также быть проведен количественный анализ смесей энантиомеров.
Кинетический метод, предложенный и развитый в этой группе и широко применяемый для измерения
термохимических величин, обеспечивает чувствительный подход к обнаружению очень малых различий
в устойчивости образующихся ионов, тогда как комплексы с двухвалентной медью в качестве
центрального иона обеспечивают осуществление многоконтактных взаимодействий, необходимых для
проведения хирального распознавания. Однозарядные кластерные ионы на двухвалентной меди [CuII
(a.a.)(ref*)2-H]+ (a.a.=аминокислоты,ref*=реперный хиральный лиганд, выбранный из природных
аминокислот) в результате процесса столкновительной диссоциации в квадрупольной ионной ловушке
диссоциируют на ионы [CuII(a.a.)(ref*)-H]+ и [CuII(ref*)2-H]+. Относительное распределение
интенсивностей диастереомерных ионов, полученных при диссоциации иона[CuII(a.a.)(ref*)2-H]+ сильно
зависит от стереохимии лигандов в комплексных ионах. При тщательном выборе репера все 19
природных хиральных аминокислот, кроме цистеина и аргинина, высоко разрешаются. В отличие от
более ранних экспериментов на тартратах введение изотопной метки не требуется, а чувствительность,
точность и универсальность этого метода представляются многообещающими.
Предлагаемая методика хирального распознавания аминокислот методом масс-спектрометрии
Достаточно просто использовать описанные выше явления для хирального распознавания аминокислот.
К смеси энантиомеров неизвестного состава добавляется известное количество изотопно-меченой смеси
хиральных молекул с известным соотношением энантиомеров (соответствующие энантиомеры должны
быть помечены по-разному). Измеряются распределения интенсивностей пиков димеров в масс-спектре, и
различия в распределении интенсивностей для димеров, образующихся из немеченых анализируемых
веществ и из лево- или право- вращающих(меченых) контрольных молекул дают нам соотношение
концентраций энантиомеров в анализируемой смеси.
Кинетический метод с помощью ионов переходных металлов обеспечивает альтернативный подход, в
котором не используется изотопная метка образцов. В этом случае хиральное различие определяется при
сравнении относительных интенсивностей пиков диастереомерных комплексных ионов и реперного иона в
тандемном масс-спектре соответствующих кластерных ионов. В этом методе могут быть проанализированы
смеси энантиомеров, и энантиомерный состав в этом случае определяется из соотношения относительных
интенсивностей линий.
Эти методы могут быть использованы для анализа любого типа хиральных молекул, у которых
хиральность влияет на устойчивость димеров или тримеров.
Чувствительная природа предлагаемых методов позволяет анализировать смеси на энантиомерную чистоту с
высокой степенью точности. Соответственно, настоящая методология может быть предложена в качестве
практически полезного метода хирального анализа важных биологических молекул, таких как аминокислоты
и пептиды. Она также может служить основой для создания метода молекулярного распознавания в газовой
фазе. Предлагаемые методы могут быть использованы при низких температурах, которые фактически даже
способствуют протеканию процессов ассоциации (Randeniya et al.,1989). Для анализа необходимы только
микроколичества хиральных веществ. Для использования предлагаемых методов в хиральном анализе
аминокислот необходимо найти такие хиральные соединения, которые могут образовывать ионномолекулярные ассоциаты с молекулами аминокислот и при этом должны существовать заметные различия в
устойчивостях гомо- и гетерохиральных димеров или тримеров.
Основной частью данного проекта является поиск таких веществ в различных классах хиральных
соединений. В частности, мы ищем классы хиральных образцов, которые действуют в качестве
распознающих хиральность объектов для широкого диапазона хиральных биологических молекул, а также
образцов с высокой селективностью к определенным хиральным образцам (таким как D-аланин).
Значительный прогресс был достигнут группой Кукса (Тао и др.), которая наблюдала сильное
хиральное распознавание, когда реперный лиганд имел ароматическую цепь. Мы распространим наши
исследования на такие хиральные объекты как тартраты и краунэфиры. Ионы других переходных металлов,
таких как никель, железо, цинк, кобальт и палладий, которые являются превосходными хелатообразующими
ионами, будут проверены в качестве центров для димерных и тримерных кластеров.
В настоящее время для создания ионных комплексов из хиральных молекул используется несколько
различных ионизационных методов: химическая ионизация, бомбардировка быстрыми атомами,
атмосферная ионизация, электрораспыление в вакуум, лазерная десорбция, лазерная десорбция из матрицы и
др. Не все из них применимы для астробиологических исследований. Группа Николаева использует
химическую ионизацию, лазерную десорбцию и электрораспыление в вакуум в своих исследованиях, в то
время как группа Кукса использует электрораспыление в вакуум для создания хиральных комплексов в
газовой фазе. Использование электрораспыления в вакуум в планетарных исследованиях затруднено тем, что
в этом методе используется жидкость; тем не менее, этот метод может быть использован в результате
миниатюризации источников для электрораспыления в вакуум и использованием нанокапилляров с
достаточно малыми количествами вещества, которые могут нагреваться источниками низкой мощности.
Более приемлемым методом является атмосферная ионизация, которая основана на использовании
коронного разряда низкой мощности. Одной из основных целей проекта является доказательство
возможности распознавания хиральности в аминокислотах методами электрораспыления в вакуум и
атмосферной ионизации в условиях соответствующих требованиям орбитального масс-спектрометра.
Выбор типа масс-спектрометра для модельных экспериментов по распознаванию
хиральности.
Для использования описанного выше метода распознавания хиральности в астробиологических
экспериментах, масс-спектрометр должен иметь низкую массу, размер и потребляемую мощность, а также
быть оборудован источником для получения молекулярных комплексов. Группа проф. Кукса работает над
созданием миниатюрного радиочастотного масс-спектрометра в форме цилиндрической ионной ловушки
небольшого размера, с малым потреблением энергии и не предъявляющей высоких требований к вакууму. В
лабораторных исследованиях по развитию метода мы планируем использовать два прибора: коммерческий
радиочастотный масс-спектрометр LCQ фирмы Финниган и масс-спектрометр ионного циклотронного
резонанса с преобразованием Фурье. Хотя масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса не может
быть использован в орбитальных условиях, этот метод более универсален и позволяет достигать
равновесных условий при изучении кластеров, а, следовательно, проводить измерения кинетики и
термодинамики.
Миниатюризация радиочастотного масс-спектрометра с цилиндрической ловушкой.
Масс- спектрометрия стала обычным методом при исследовании планет. Прогресс, достигнутый в
этой области за последнее время, дает основание считать, что в ближайшем будущем миниатюрные приборы
с малым весом и потребляемой энергией займут достойное место в планетарных исследованиях. Мобильная,
легкая и эффективная с точки зрения потребления энергии комбинация хроматографии и массспектрометрии широко используется для детектирования и анализа атмосферы, воды и почвы in situ. Целью
работ, проводимых в настоящее время, является создание простой и миниатюрной цилиндрической ионной
ловушки, которая в то же время обладает высокими характеристиками при решении проблемы
распознавания хиральности. Был достигнут значительный прогресс, в частности создана цилиндрическая
ионная ловушка размером 1 см. К последним результатам можно также отнести создание цилиндрической
ловушки размером 2.5 мм (Бэдмэн и др. 1998).
График работ по проекту.
1. Начало проекта: июнь 01, 2000 (ИНЭПХФ, Университет Педью)
2. Квантовохимические расчеты относительных стабильностей ионно-молекулярных комплексов, состоящих
из аминокислот, комплексообразующих ионов и хиральных стандартов (аминокислот, тартратов и
краунэфиров) различных хиральностей с использованием суперкомпьютера университета Педью: август 01,
2000 (ИНЭПХФ)
3. Синтез изотопно-меченых хиральных веществ: сентябрь 01, 2000 (ИНЭПХФ, Университет Педью)
4. Изготовление источника электрораспыления для масс-спектрометра в Москве: январь 01, 2001 (ИНЭПХФ)
5. Исследование влияния хиральности на образование комплексов аминокислот (кинетики и термодинамики
соответствующих реакций) с использованием ионов металлов в качестве координационных центров на
радиочастотном и ИЦР спектрометрах: июнь 01, 2001 (ИНЭПХФ, Университет Педью)
6. Использование источника ионизации при атмосферном давлении на LCQ приборе в университете Педью.
январь 01,2001
7. Исследование влияния хиральности на процессы комплексообразования с участием аминокислот с
помощью ионной ловушки при атмосферном давлении. март 01, 2001 (университет Педью)
8. Создание метода анализа, основанного на атмосферной ионизации. июнь 01.2001 (университет Педью)
9. Исследование методом масс- спектрометрии ИЦР влияния хиральности на реакции комплексообразования
аминокислот с участием тартратов и краун-эфиров (кинетика и термодинамика ) октябрь 01,2001 (ИНЭП
ХФ)
10. Демонстрация возможности хирального распознавания в твердой смеси энантиомеров аминокислот,
используя лазерную десорбцию и атмосферную ионизацию (в случае успешного выполнения п.8) август 01,
2001 (университет Педью)
11. Демонстрация работы миниатюрного, потребляющего низкую мощность, масс-спектрометра с
цилиндрической ионной ловушкой. Оценка возможности его применения в экспериментах по хиральному
распознаванию аминокислот. октябрь 31,2001 (ИНЭП ХФ, университет Педью)
12. Окончательный выбор веществ для хирального распознавания аминокислот. Написание рекомендаций
для прямого хирального анализа аминокислот в масс-спектрометрических экспериментах на Марсе и Титане.
декабрь 31, 2001 (ИНЭП ХФ, университет Педью)
13. Окончание проекта: декабрь 2001(ИНЭП ХФ, университет Педью)
Ожидаемые результаты и выгоды сторон.
В процессе работы над проектом участники выполнят серию экспериментов на самом высоком
экспериментальном уровне в области фундаментальной науки на стыке аналитической органической и
космохимической наук, которые откроют новый взгляд на хиральные эффекты в классе моделей, важных
для условий планетарной атмосферы. Группа исследователей выявит эффекты хиральной дискриминации
в ионно-молекулярных комплексах аминокислот с пробными хиральными молекулами, выбор которых
будет основан на квантово-химических расчетах и экспериментальных
исследованиях в классах тартратов и аминокислот. Предлагаемая совместная работа будет также
включать в себя оценку экспериментов на аминокислотных системах с точки зрения возможности их
аналитического применения в астробиологических условиях. Будут разработаны новые конструкции
миниатюрных масс-спектрометров, специфическая методология планетарных химических
исследований, даны рекомендации по типу и набору аналитических инструментов для хирального
анализа. Также данный проект внесет значительный вклад в знание о природе хиральной асимметрии на
Земле, взаимодействиях "хозяин-гость" в органических и биологических молекулах и их
супрамолекулярных структурах, а также о процессах молекулярной самоорганизации. Таким образом,
будут получены новые фундаментальные химические знания, безотносительно к тому будут ли они
использованы в дальнейшем в космических исследованиях. Метод, предложенный здесь, является весьма
общим. Мы не будем ограничиваться только аминокислотами в выборе возможных анализируемых
веществ и хиральных реагентов. Пептиды и весь спектр важнейших лекарств, имеющих
характеристические функциональные группы, могут быть также успешно исследованы.
Участники будут распространять информацию о результатах работы через строго рецензируемые
журналы и путем представления их на конференциях высокого уровня. Российская лаборатория,
участвующая в проекте, является одной из исследовательских баз Московского Физико-Технического
Института(МФТИ) и Московского Государственного Университета. Студенты выполняют здесь
дипломные работы, а аспиранты кандидатские диссертации. Над данным проектом будут работать два
студента и два аспиранта МФТИ. Участие в исследованиях позволит им повысить уровень
профессионального умения и приобрести дополнительные навыки необходимые для работы в
международной исследовательской деятельности. Американская группа принадлежит к одному из
крупнейших аналитических центров США и имеет давние традиции в масс- спектрометрии.
Реализация проекта принесет выгоду обеим участвующим группам.
Американские исследователи освоят метод изучения хиральных молекул и ионно-молекулярных реакций
ассоциации, разработанный московской группой. Российские исследователи получат доступ к
современному экспериментальному оборудованию, а также приобретут опыт работы в группах ученых,
имеющих различные культурные
традиции и жизненный опыт. Финансовая поддержка проекта поможет сохранить инфраструктуру и
коллектив сотрудников российской лаборатории.
Оборудование, используемое в проекте.
Московская лаборатория располагает масс-спектрометром ионного циклотронного резонанса с
преобразованием Фурье с магнитом 4,7 Тесла и двумя вакуумными системами. Коммерческий массспектрометр с ионной ловушкой(LCQ, Finnigan, SanJose) будет использоваться американскими
исследователями. Российский прибор был приобретен в 1983 году и будет усовершенствован с
помощью электроспрея, расширяющего класс соединений, которые можно исследовать. Это
усовершенствование важнейшее условие применения методик, описанных выше.
Координация проекта.
Как группа Николаева, так и группа Кукса выполнила значительную предварительную работу,
имеющую непосредственное отношение к данному проекту. Совместная работа по распознаванию
хиральности в системе аминокислота- Сu(II) в процессе, уже имеется публикация. Член группы
Николаева, к.ф-м.н. Франкевич, провел один год в группе Кукса, работая над проектом, связанным с
созданием ионной ловушки.
Высокая исследовательская активность сосредоточена вокруг масс-спектрометра ИЦР-ПФ в Москве и
коммерческого LCQ спектрометра, а также ионных ловушек, сделанных по особому заказу в Западном
Лафайетте.
Группы-участники будут тесно координировать свою деятельность. В частности, группа Кукса примет
участие в модернизации московского спектрометра путем установки на него ионного источника,
реализующего метод электрораспыления в вакуум. Исследователи обеих групп будут обмениваться
визитами для проведения совместных экспериментов. Одна встреча в форме семинара будет проведена
во время конференции Американского Общества
Масс-спектрометристов для интенсивного обмена информацией. Обмен информацией через электронные
средства связи, уже хорошо налаженный между группами, позволит координировать эксперименты и
осуществлять быстрый обмен результатами.
Для координации исследований мы планируем несколько обменных визитов. Двухнедельные визиты
американских участников в 2000 и 2001 годах позволят им познакомиться с прибором, подходами и
методами, используемыми московской группой.
Они также помогут в проведении экспериментов, использующих метод электрораспыления в вакуум.
Во время второго визита будет подготовлена совместная публикация. В рамках проекта планируется два
двухмесячных визита российских участников. Целью этих визитов является работа на оборудовании
американской группы и выполнение квантово-химических расчетов на суперкомпьютере Университета
Педью. Во время визита российские ученые будут исследовать влияние типа иона на стабильность
хиральных комплексов с помощью метода электрораспыления в вакуум, а также влияние хиральности
на диссоциацию комплексов с помощью источника с атмосферной ионизацией. Во время одного их
запланированных визитов российский исследователь посетит конференцию Американского Общества
Масс-спектрометристов(Чикаго,2001), на котором представит результаты, полученные в рамках проекта.
Российская и американская группы взаимно обогатят друг друга. Прибор в Москве имеет ионный
источник с ионизацией электронами и полевой ионизацией, он также снабжен термическим экраном для
предотвращения нагрева ячейки спектрометра. Это дает возможность работать в области низких
температур и обнаруживать слабые хиральные эффекты в молекулярных взаимодействиях. Прибор,
установленный в лаборатории американских участников, снабжен ионными источниками с
электрораспылением в вакуум и с ионизацией при атмосферном давлении, которые позволяют получать
широкий набор катионов и анионов различных молекулярных веществ. Использование метода
электрораспыления в вакуум значительно облегчит исследование хиральности в больших молекулах и
полимерах.
Список литературы
Badman, E. R., Johnson, R. C., Plass, W. R. & Cooks, R. G. (1998) Anal. Chem. 70, 4896-4901
Busch, K. L., Glish, G. L. & McLuckey S. A. (1988) Mass Spectrometry/Mass Spectrometry, Techniques and
Applications of Tandem Mass Spectrometry. VCH Publishers Inc., New York
Calvin, M. (1969) Chemical Evolution: Molecular Evolution towards the Living. Oxford University Press,
Oxford
Chyba, C.F. (1997) A left-handed solar system? Nature 389, 234-235
Cronin, J.R. & Pizzarello, S. (1997) Science 275, 951-955
Denisov, E.V., Shustryakov, V., Nikolaev, E.N., Winkler, F.J. & Medina, R. (1997) Int. J. Mass Spectrom. Ion
Processes 167/168, 259-268
Engel, M.H. & Macko, S.A. (1997) Nature 389, 265-267
Lunine, J.I. (1999) Earth: Evolution of a Habitable World. Cambridge University Press, Cambridge
National Research Council (1997) Mars Sample Return: Issues and Recommendations. National Academy
Press, Washington DC
Nikolaev, E.N., Denisov, E.V., Futrell, J.H., Rakov, V.S. & Winkler, F.J. (1998) in Advances in Mass
Spectrometry, Vol. 14 (Karjalainen, E.J., Hesso, A.E., Jalonen, J.E. & Karjalainen, U.P., eds.), Elucidation
of influence of chirality on formation and decomposition of ion molecular complexes in the dialkyltartrate
class using mass spectrometry. pp. 277-311, Elsevier Science Publishers, Amsterdam
Splitter, J. S. & Turecek, F. (1994) Applications of Mass spectrometry to Organic Stereochemistry. VCH
Publishers Inc., New York.
Tao, W. A., Zhang, D., Wang, F., Thomas, P. D. & Cooks, R. G. (1999) Anal. Chem. (accepted for publication)
Yung, Y.L., Allen, M.A. & Pinto, J.P. (1984) Astrophys. J. Suppl. Ser. 55, 465-506