应用台式核磁共振技术进行生物医学研究和教学

较小的研究机构往往缺乏学术界重量级人物的巨额预算，这就限制了它们可以获得的系统，并最终限制了它们可以进行的研究。然而，随着技术的不断进步，新的解决方案正在开发，使较小的机构能够获得同样的分析能力。这意味着可以开展新的研究，学生可以按照与大型机构相同的标准教学。

其中一个解决方案是来自Magritek的Spinsolve，低维护，台式NMR系统。Azom对里昂学院的Irosha Nawarathne博士发表了谈话，以及她如何利用她们研究中的Spinsolve进入下一代结核病药物，她如何在她的教学中融入Spinsolve，以及为什么她在低温系统中选择Benchtop NMR。

跟我们说说你在里昂学院进行的结核病药物研究?

我们一直在开发基于目前正在使用的利福平(rifamping，利福平)的新型结核病(TB)药物。虽然利福平已经是一种有效的结核病治疗方法，但耐多药结核病细菌(结核分枝杆菌(MTB)压力。我们正在开发治疗耐利福平结核病患者的新药物。利福平的工作原理是与结核菌中的RNA聚合酶(RNAP)结合，这种结合阻止了细菌的复制。

然而，结核杆菌一直在变异，因此不断进化。其中一些突变改变了RNAP中利福平结合位点的化学性质，从而阻止了利福平的结合。因此，结核菌在利福平药物存在的情况下存活。我们使用的是类似利福平的药物，更具体地说，是一种名为利福霉素的抗生素家族，我们根据结核细菌结合位点的变化对其进行修改。我们的目标是开发利福霉素的类似物，可以结合耐利福平结核细菌中突变的rnas。

你是如何修改利福平的?

我们的修饰总是针对利福平耐药菌株中普遍存在的RNAP突变。利福平与RNAP的结合主要是由于几个氢键相互作用。这些相互作用被发生在RNAP结合位点的一些突变所破坏，这些突变增加了在结核药物利福平存在的情况下突变的结核分枝杆菌株的存活。例如，丝氨酸残基通过突变被交换为亮氨酸残基。这就阻止了利福平与突变的MTB RNAP结合，因为亮氨酸在侧链上没有氢受体或供体。此外，由于其体积较大，利福平无法达到较强的结合距离。

我们观察结合位点发生的变化，并对利福霉素核心进行修饰，使其仍然可以与modified MTB RNAP结合。所以如果位点从极性变成非极性，我们对利福霉素进行修饰使它也是非极性的，或者如果氨基酸残基变得更大我们要确保修饰的利福霉素上的基团不那么大这样它仍然可以放入结合腔。

丝氨酸到亮氨酸的突变存在于大约42%的耐药结核病菌株中，所以我们专注于寻找这种特殊修饰的新药物。我们已经成功合成了一系列利福平类分子，利福霉素类似物，我们将在突变的RNAP上进行测试。如果这一方法获得成功，我们将生产出一种治疗耐药结核分枝杆菌的新药，因为利福霉素核心已被证明具有药物特性。

您如何使用Spinsolve作为本研究的一部分？Spinsolve仍然可以用于诸如利福平等大分子？

的Spinsolve旨在研究较小的分子。该分辨率并不像高频低温NMR那样大。我曾经使用400-600 MHz NMR系统来研究利福霉素，并且仍然困难 - 它们是非常复杂的分子，具有许多手性中心和极性（因此可变）区域。

然而，通过使用结构类似利福霉素的小分子进行反应，我们成功地解决了Spinsolve和利福霉素的这些解决问题。例如，当我们试图对利福霉素的羟基醌部分进行敏感反应时，我们在一个较小的羟基醌上进行反应，可以通过Spinsolve进行分析。

因此，我们确定最佳工作的方法，然后在利福霉素上使用该方法。一旦过程完成，我们将改性的二霉素发送到外部实验室，以获得完整的高频NMR和LC-MS分析。

我们还为Spinsolve安装了氟方案，这是特别有用的，因为我们做了很多工作，涉及氟化利福霉素和紫杉醇(紫杉醇^®)分子。氟化反应很难运行甚至在简单的分子,更不用说对敏感和高功能化分子利福霉素、紫杉醇等,所以我们花了很多时间发展我们的合成方法(注:我们紫杉醇(抗有丝分裂的代理)详细了解其生物合成途径;因此，我们可以通过生物催化开发高效的类似物)。

利福霉素S和紫杉醇(紫杉醇^®）复杂的结构使得难以使用低频NMR来解决

你打算如何在你的研究中使用sponsolve的氟模式?

氟协议将允许我们查看氟是否已经被纳入我们的产品分子。以前，我们必须把样本送出去，然后从外部实验室获取LC-MS数据，以确认是否加入了氟，但我们不能确定是在什么位置。现在我们可以使用Spinsolve¹⁹F模式并立即确定氟化反应的成功。对于紫杉醇，我们现在将能够使用Spinsolve来做一切，包括确定在各种分子上的分子框架氟中的位置。

对于更复杂的利福霉素来说，仍然很难确定氟的确切位置。然而，氟协议对我们的提纯是非常有用的。通常，当我们在一个反应后进行准备性薄层色谱或柱层析时，我们有三到四个不同的产品，我们没有办法知道哪一个是正确的产品，除了根据极性猜测。有了Spinsolve的氟模式，我们几乎可以立即知道哪个点含有我们的产品。

你目前在教化学的哪些方面?你的研究是如何与你在里昂学院的教学相联系的?

我是一名有机化学家，所以我主要教有机化学和仪器分析。我也曾在里昂学院教高级无机化学。在教学中，我总是尝试使用我研究中的例子。

我的有机和仪器课程真的很容易进入我的研究，因为直接与我的研究兴趣和实践对齐，可以轻松地专注于建立假设，合成，净化和产品分析。无机化学远离我的专业知识和生物医学研究。但我经常在我的研究中使用有机金属催化剂。我在无机化学课上提出了这些应用。

您的学生使用Spinsolve做了哪些实验?你认为使用它是如何提高他们的理解的?

我的学生喜欢它。他们对在生物医学研究中使用最先进的仪器获得实际经验的想法感到高兴。我们几乎在教学实验室的每一个实验中都使用了Spinsolve。我的学生经常合成小分子，如阿司匹林，或进行合成进一步了解反应机制，如脱水或格氏反应，作为他们的实验室项目的一部分。

方法生成的核磁共振谱Spinsolve让学生判断他们的反应是否成功。这也让他们能够深入了解反应本身的机制，从而促进他们的深度学习。核磁共振谱可以用来确定产品的纯度或是否有任何残留的起始物质或中间体。他们喜欢用仪器来确定产品的分子结构。自旋解使它更容易教授合成和分析化学中的重要概念。

Nawarathne博士使用Spinsolve向她的学生展示NMR

使用BENCHTOP NMR在其他常规支架技术上使用BENCHTOP NMR的优点是什么，例如FT-IR和UV-VIS光谱？

里昂学院也有FT-IR和UV-Vis。例如，在我们获得旋解器之前，FT-IR是我们在有机化学实验室做每一个实验时的首选仪器。这意味着我们只能向学生展示有限的内容。

例如，如果学生进行了脱水反应，利用FT-IR，我们可以看到起始物质的羟基吸收随着反应的进行而消失，但我们无法得出进一步的结论。现在有了自旋解，我们可以显示官能团的变化以及分子框架上发生修饰的确切位置。

自旋解决方案还消除了样品分析中杂质干扰的问题。例如，在脱水实验中，如果产品没有进行适当的蒸馏，最终产品中会残留一些水。水会在FT-IR光谱中显示羟基吸收，使它看起来像初始物质，它也有一个羟基。这对于核磁共振来说不是一个大问题，因为它提供了正在分析的分子的清晰和详细的信息。由于NMR并不仅仅关注官能团，从Spinsolve得到的分析更加详细和有意义，但它是一个快速的分析。毕竟，核磁共振是有机化学家的首选工具。

你为什么选择自旋解决方案而不是低温核磁共振系统?

这是简单的，因为易于维护。几年前，我们在里昂学院有一个低温系统，有很多维护问题。没有足够的工作人员来照顾这个系统，学校也没有财政支持来维持它，因此这个系统最终失败了。

重要的是要使NMR系统恢复，因为它是我们的研究和教学计划的必要性。核数也广泛应用于我学生喜欢的生物医学领域。因此，我希望他们成为NMR的专家，因此他们将来可以成为他们的领域的领导者。但是，我知道我们无法维持低温系统。我们只是没有时间来维护自己，无法证明技术人员的成本。因此，由于原因，我们选择获取Spinsolve，它使用永磁体具有最小/无需维护要求。

来自Magritek的SpinSolve 43

我们的读者在哪里可以找到更多关于你的研究，里昂学院和SpinSolve?

您可以在Magritek网站．任何关于我的研究计划或使用Spinsolve在里昂学院的教学需要直接向我(电子邮件保护)除非你能在我的学院网页．

关于Irosha Nawarathne博士

Irosha Nawarathne是阿肯色州里昂学院的助理教授。她在斯里兰卡科伦坡大学获得化学一等荣誉学士学位，在东兰辛的密歇根州立大学获得生物有机化学博士学位。在她的论文研究中，她成功地利用红豆杉酰基转移酶在生物催化中修饰紫杉醇(Taxol .)等重要的生物天然产物支架^®）。

2011年毕业后，她加入了密歇根大学安娜堡分校药学院，担任研究员，在那里她通过进行抗生素开发的研究获得了药物化学技能。她目前在里昂学院的研究实验室专注于通过靶向合成，从大型天然产品支架中开发有效的治疗方法，具有已证实的生物医学应用。

目前，她的研究团队全是大学生，正在开发新的利福霉素，通过对利福霉素和MTB RNA聚合酶之间的分子相互作用有更深入的了解，以对抗耐多药结核分枝杆菌(MTB)株。她的实验室还试图修改紫杉醇的前体，以进一步了解紫杉醇的生物合成途径。

Nawarathne博士由国家卫生和普通医学科学研究所资助(P20 GM103429)。亚博老虎机网登录她热衷于为本科生创造探索药物发现过程的机会，并向他们提出有趣的问题，同时通过药物发现促进人类健康。