Системная химия

Изучение сетей взаимодействующих молекул и их возникающих свойств

Системная химия — это наука об изучении сетей взаимодействующих молекул с целью создания новых функций из набора (или библиотеки) молекул с различными иерархическими уровнями и возникающими свойствами. ^[1]^[2]

Системная химия также связана с происхождением жизни ( абиогенезом ). ^[3]

Связь с системной биологией

Системная химия — относительно молодая субдисциплина химии , где основное внимание уделяется не отдельным химическим компонентам, а общей сети взаимодействующих молекул и их эмерджентным свойствам. Таким образом, она сочетает классические знания химии (структура, реакции и взаимодействия молекул) с системным подходом, вдохновленным системной биологией и системной наукой .

Примеры

Динамическая комбинаторная химия использовалась как метод разработки лигандов для биомолекул и рецепторов для малых молекул. ^[4]

Лиганды , которые могут распознавать биомолекулы, идентифицируются путем подготовки библиотек потенциальных лигандов в присутствии целевой биомакромолекулы. Это актуально для применения в качестве биосенсоров для быстрого мониторинга дисбалансов и заболеваний, а также терапевтических агентов. ^[5]

Отдельные компоненты определенной химической системы будут самоорганизовываться , образуя рецепторы, которые комплементарны целевой молекуле. В принципе, предпочтительные члены библиотеки будут выбираться и усиливаться на основе самых сильных взаимодействий между шаблоном и продуктами. ^[6]

Молекулярные сети и равновесие

Существует фундаментальное различие между химией, как она выполняется в большинстве лабораторий, и химией, как она происходит в жизни. Лабораторные процессы в основном спроектированы таким образом, что (закрытая) система термодинамически идет вниз; т. е. состояние продукта имеет более низкую свободную энергию Гиббса , давая стабильные молекулы, которые можно изолировать и хранить. Однако химия жизни действует совсем иначе: большинство молекул, из которых состоят живые системы, непрерывно перерабатываются и не обязательно термодинамически стабильны. Тем не менее, живые системы могут быть стабильными, но в гомеостатическом смысле. Такие гомеостатические (открытые) системы далеки от равновесия и являются диссипативными: им нужна энергия для поддержания себя. В диссипативных контролируемых системах непрерывная подача энергии обеспечивает непрерывный переход между различными надмолекулярными состояниями, где могут быть обнаружены системы с неожиданными свойствами. Одной из главных задач системной химии является раскрытие сложных сетей реакций , где молекулы непрерывно потребляют энергию для выполнения определенных функций.

История

В то время как многокомпонентные реакции изучались на протяжении столетий, идея преднамеренного анализа смесей и реакционных сетей появилась позже. Первые упоминания о системной химии как области датируются 2005 годом. ^[7]^[8] Ранние последователи сосредоточились на пребиотической химии в сочетании с супрамолекулярной химией , прежде чем она была обобщена на изучение возникающих свойств и функций любых сложных молекулярных систем. Обзор 2017 года в области системной химии ^[9] описал современное состояние как неравновесную самосборку, подпитываемое молекулярное движение, химические сети в отсеках и колебательные реакции.

Ссылки

^ Садоуник; Отто (2014). «Системная химия». Энциклопедия астробиологии . С. 1–3. doi :10.1007/978-3-642-27833-4_1095-2. ISBN 978-3-642-27833-4.
^ "Центр системной химии". Университет Гронингена . 27 октября 2011 г. Получено 26 октября 2017 г.
^ Кидровски; Отто; Хердевейн (2010). «Добро пожаловать домой, системные химики!». Журнал системной химии . 1 : 1. doi : 10.1186/1759-2208-1-1 .
^ Ли; Новак; Отто (2013). «Динамические комбинаторные библиотеки: от изучения молекулярного распознавания до системной химии». J. Am. Chem. Soc . 135 (25): 9222–9239. doi :10.1021/ja402586c. PMID 23731408.
^ Верма; Ротелло (2005). «Поверхностное распознавание биомакромолекул с использованием рецепторов наночастиц». Chem. Comm . 3 (3): 303–312. doi :10.1039/b410889b. PMID 15645020.
^ Ладлоу; Отто (2008). «Системная химия». Chem. Soc. Rev. 37 ( 1): 101–108. doi :10.1039/B611921M. PMID 18197336.
^ Станкевич; Эккардт (2006). «Хембиогенез 2005 и семинар по системной химии». Angew. Chem. Int. Ed . 45 (3): 324–344. doi :10.1002/anie.200504139.
^ Киндерманн; Шталь; Реймольд; Панкау; Киедровски (2005). «Системная химия: кинетический и вычислительный анализ почти экспоненциального органического репликатора». Angew. Chem . 117 (41): 6908–6913. doi :10.1002/ange.200501527.
^ Ашкенази; Германс; Отто; Тейлор (2017). «Системная химия». Chem. Soc. Rev. 46 ( 9): 2543–2554. doi :10.1039/c7cs00117g. PMID 28418049. S2CID 3731417.

[1] Садоуник; Отто (2014). «Системная химия». Энциклопедия астробиологии . С. 1–3. doi :10.1007/978-3-642-27833-4_1095-2. ISBN 978-3-642-27833-4.

[2] "Центр системной химии". Университет Гронингена . 27 октября 2011 г. Получено 26 октября 2017 г.

[3] Кидровски; Отто; Хердевейн (2010). «Добро пожаловать домой, системные химики!». Журнал системной химии . 1 : 1. doi : 10.1186/1759-2208-1-1 .

[4] Ли; Новак; Отто (2013). «Динамические комбинаторные библиотеки: от изучения молекулярного распознавания до системной химии». J. Am. Chem. Soc . 135 (25): 9222–9239. doi :10.1021/ja402586c. PMID 23731408.

[5] Верма; Ротелло (2005). «Поверхностное распознавание биомакромолекул с использованием рецепторов наночастиц». Chem. Comm . 3 (3): 303–312. doi :10.1039/b410889b. PMID 15645020.

[6] Ладлоу; Отто (2008). «Системная химия». Chem. Soc. Rev. 37 ( 1): 101–108. doi :10.1039/B611921M. PMID 18197336.

[7] Станкевич; Эккардт (2006). «Хембиогенез 2005 и семинар по системной химии». Angew. Chem. Int. Ed . 45 (3): 324–344. doi :10.1002/anie.200504139.

[8] Киндерманн; Шталь; Реймольд; Панкау; Киедровски (2005). «Системная химия: кинетический и вычислительный анализ почти экспоненциального органического репликатора». Angew. Chem . 117 (41): 6908–6913. doi :10.1002/ange.200501527.

[9] Ашкенази; Германс; Отто; Тейлор (2017). «Системная химия». Chem. Soc. Rev. 46 ( 9): 2543–2554. doi :10.1039/c7cs00117g. PMID 28418049. S2CID 3731417.