"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9105
ETF9105 "Molekulaar-retseptorite disain, süntees ja rakendused anioonide määramisel (1.01.2012−31.12.2015)", Ivo Leito, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Keemia Instituut.
ETF9105
Molekulaar-retseptorite disain, süntees ja rakendused anioonide määramisel
Design, synthesis and applications of molecular receptors for anions
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.11. Keemia ja keemiatehnikaP300 Analüütiline keemia 1.3. Keemiateadused (keemia ja muud seotud teadused)50,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.11. Keemia ja keemiatehnikaP390 Orgaaniline keemia 1.3. Keemiateadused (keemia ja muud seotud teadused)50,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201211 328,00 EUR
01.01.2013−31.12.201311 328,00 EUR
01.01.2014−31.12.201411 328,00 EUR
01.01.2015−31.12.201511 328,00 EUR
45 312,00 EUR

Projekti eesmärk on töötada välja sünteetilised retseptormolekulid, mis seovad kõrge polaarsusega ja raskesti määratavaid ioonseid analüüte, nagu glüfosaat, AMPA, tsitraat, laktaat, tartraat jne. Töö kätkeb endas arvutuslikku molekulaardisaini COSMO-RS meetodil, sünteesi, karakteriseerimist (analüütide sidumiskonstantide ja sidumisel toimuvat optiliste omaduste muutuste määramist) ja retseptormolekulide immobiliseerimist tahke kandja külge. Loodavate retseptorite kasutamine on võimalik kahel moel: (a) otseselt kasutatavad analüütide määramiseks lahuses (kasutades fotomeetrilist ja/või fluorestsentsdetekteerimist); (b) immobiliseerituna statsionaarsele faasile, mis võib olla kasutatav LC stasionaarse faasina või tahkefaasiekstraktsiooni statsionaarse faasina analüütide eelkontsentreerimiseks järgneva LC või LC-MS määramise jaoks. Töö algab valimiku retseptormolekulikandidaatide molekulaardisaini ja analüütidega seondumise arvutusliku ennustamisega (kasutades COSMO-RS arvutusmeetodit lahuses). Kandidaatide jaoks, mis arvutustulemuste põhjal on kõige perspektiivsemad, leitakse sünteesiteed ja need sünteesitakse. Seejärel mõõdetakse nende ja valitud analüütide vahelised seondumiskonstandid ja optilised omadused. Kõige perspektiivikamate loodud retseptormolekulidega viikase läbi immobiliseerimine statsionaarsele faasile ja saadud statsionaarsed faasid karakteriseeritakse. Projekti oodatavad tulemused: (1) COSMO-RS arvutusmeetodi sobivuse hindamine anioonide seondumise ennustamiseks lahuses. Kui COSMO-RS osutub selle jaoks sobivaks, siis saab see meetod olema kasutatav võimsa tööriistana terve rea uute rakenduste jaoks. (2) Arendatakse välja valimik uudseid sünteetilisi retseptoreid mitmesuguste huvipakkuvate ja raskesti määratavate anioonide sidumiseks. (3) Parimate loodud retseptorite sidumisel statsionaarsele faasile saadakse teatavate anioonide selektiivset eraldamist ja/või kontsentreerimist võimaldavad statsionaarsed faasid. Projekti uudsus seisneb multidistsiplinaarsuses - töö sisaldab endas kõiki etappe alates arvutuslikust disainist ja lõpetades kasutamisega keemilises analüüsis. Iseäranis on uudne retseptormolekulide disain ja seondumise arvutuslik uurimine vedelfaasis. Seda ei ole meie teada siiani tehtud. Ka analüütide valik on uudne: me ei ole teadlikud töödest milles oleks disainitud molekulaarseid retseptoreid glüfosaadi jaoks.
The aim of this proposal is to contribute to the field of supramolecular analytical chemistry by developing receptor molecules that are able to bind certain highly polar and difficult-to-determine ionic analytes, such as glyphosate, glyphosinate, AMPA, citrate, lactate, tartrate, etc. The work will combine computational design using the COSMO-RS approach, synthesis, characterization (determination of binding constants and changes of optical properties on binding) and immobilization (to solid support) of molecular receptors for selected target analytes. Two ways of usage of the developed receptors are envisaged: (a) direct sensing the analytes in solution (using photometric and/or fluorescence detection); (b) for selective separation (chromatographically) or preconcentration (using the SPE approach) with subsequent LC or LC-MS analysis) of analytes of interest by using receptor molecules immobilized on a solid support. The work starts with computational design and preliminary computational characterization (by COSMO-RS computations in the solution phase) of binding of a number of different receptor molecule candidates. For the most promising ones synthesis routes will be developed and they will be synthesized and characterized. The binding of the receptor molecules to the target analytes and changes in optical properties on binding will then be measured. The best receptor molecules (by the strength and selectivity of binding) will be immobilized to a solid support and the obtained stationary phases will be characterized. The expected outcomes of the project: 1. The COSMO-RS computational method will be validated for describing binding of anions to synthetic molecular receptors resulting in a powerful tool of synthetic receptor design. 2. A number of novel molecular receptors will be designed, synthesized and tested for binding highly important anionic analytes and for their spectral porpoerties. 3. Efficient stationary phases with immobilized molecular sensors will be developed for selective separation/concentration of the target analytes. The novelty of this project is in the multidisciplinarity of the approach - beginning with computational design of the receptors and ending with their use in chemical analysis. The computational design of receptor molecules in the solution phase is especially new - to the best of our knowledge this has not been done before. Also the choice of analytes is nove: we are not aware of any receptor molecules designed for glyphosate.
Projekti tulemusena on ilmunud 6 artiklit, üks artikkel on avaldamiseks vastu võetud, üks on toimetusele esitatud ja kolm käsikirja on töös (kõik on 1.1 artiklid/ajakirjad). Kaitsti üks doktoritöö (S. A. Kadam) ja 6 magistritööd. Olulisimad tulemused: 1. Töö olulisimaks tulemuseks on välja töötatud metodoloogia seondumiskonstantide ülikõrge täpsustega mõõtmiseks. See on praegu kõige täpsem selline metoodika kogu maailmas ning on äratanud rahvusvahelist tähelepanu – meile on saadetud aineid mõõtmiseks mitmetest uurimisgruppidest (Saksamaalt, UK-st, Hispaaniast ja USA-st). Metoodika võimaldab eristada väga väikese seondumisafiinsuse (logKass) erinevusega retseptoreid ja seeläbi saada hinnalist täppis-informatsiooni retseptorite struktuuri ja seondumise seoste kohta. 2. Loodi, sünteesiti ning uuriti ühtekokku ca 40 karboksülaat- ja fosfonaatanioone siduvat retseptormolekuli ning uuriti nende seondumist kümnekonna aniooniga. Saadud on suuremahuline komplekt hinnalisi andmeid. Nende andmete põhjal on leitud olulised seaduspärasused, mida nii meie kui ka teised selles valdkonnas töötavad teadlased saavad kasutada uute ja efektiivsemate retseptorite väljatöötamiseks. 3. Kaks molekuli on juba saadetud meie koostööpartneri Prof. J. Bobacka uurimisrühmale Åbo Akademi ülikooli (Soome), et valmistada neist reaalsed potentsiomeetriliste sensorite (ioonselektiivsete elektroodide) prototüübid. 4. Loodi mitmeid retseptormolekule olulise analüüdi – glüfosaadi (Gly2-) – sidumiseks, milledest ühe afiinsus Gly2- suhtes (logKass = 6.5, lahustiks DMSO:H2O 95:5 m/m) on kõrgem kui ühelgi teisel kirjanduses kirjeldatud retseptoril.