Laser-ablation rotational spectroscopy: structural and chiral studies of amino acids and amino sugars

Abstract

Rotational spectroscopy is a spectroscopic technique that exploits the interaction between gas-phase molecules and microwave radiation; can be applied to the study of any molecular system with a non-zero dipolar momentum and allows to obtain very accurate structural parameters of the studied system. Since its foundation, the GEM group has been devoted to the use of rotational spectroscopic techniques for the study of a wide variety of molecules; moreover, the work of the group for implementing the laser-ablation as vaporization system, has been proved as an unparalleled technique for investigating the structure of molecules with a high level of detail, even for those solid.

In this context, the present Thesis aims to still improving the experimental systems of GEM group and push them to their limits to obtain high-quality data about different relevant biomolecules, such as amino acids, cancer-associated amino sugars, and neurotransmitter mimetics. These results are going to be analyzed in their biological context, helping to obtain a molecular understanding on some key biological processes.

In addition, another objective of the present Work is to face the actual limitation of the rotational spectroscopy when studying the chirality of a given sample; this technique is not capable of distinguishing between enantiomers of a chiral molecule. However, in the latest years the formation of molecular pairs of chiral molecules has been exploited for the characterization of the chirality by means of rotational spectroscopy but has been only possible for gaseous or volatile samples. Thus, some experimental and procedural improvements are going to be made looking forward forming molecular pairs of solid biomolecules for the first time. This will allow to resolve the 3-dimensional structure and the chirality of a sample at the same time with the sensitivity and precision inherent to rotational spectroscopy.

La espectroscopia de rotación es una técnica espectroscópica basada en la interacción de la radiación de microondas con la materia. Es aplicable a cualquier molécula en fase gas que tenga un momento dipolar permanente diferente de cero, permitiendo la obtención de parámetros estructurales extremadamente precisos de estos sistemas. Desde su fundación, el grupo GEM se ha dedicado al uso de la espectroscopia de rotación para el estudio de una amplia variedad de moléculas. Asimismo, el trabajo del grupo para implementar la ablación láser como sistema de vaporización de muestra ha permitido emplear esta técnica para la investigación de la estructura de una increíble variedad de sistemas moleculares, incluso de sólidos.

En este contexto, la presente Tesis tiene como objetivo contribuir en la mejora de los sistemas experimentales del grupo GEM y llevarlos al límite para obtener datos estructurales sobre diferentes biomoléculas relevantes, como aminoácidos, aminoazúcares asociados al cáncer y miméticos de neurotransmisores. El resultado de cada investigación se analizará en el correspondiente contexto biológico, lo que permitirá obtener una comprensión a nivel molecular de algunos procesos biológicos clave en el metabolismo humano.

Además, otro de los objetivos del presente trabajo es abordar la actual limitación a la hora de estudiar la quiralidad de una muestra mediante espectroscopia de microondas, la cuál no permite distinguir los enantiómeros de una molécula quiral. Sin embargo, en los últimos años la formación de pares moleculares se ha utilizado para la caracterización de la quiralidad en un proceso denominado quiral tagging, que solo ha sido posible emplear para muestras gaseosas o volátiles. Por lo tanto, en la presente Tesis, se van a procedeer a realizar algunas mejoras experimentales y procedimentales que permitan formar pares moleculares a partir de biomoléculas sólidas, lo que permitirá resolver la estructura tridimensional y la quiralidad de una muestra al mismo tiempo, con la sensibilidad y precisión inherentes a la espectroscopia rotacional.