[论文解读] Determining Molecular Complexity using Assembly Theory and Spectroscopy

Michael Jirásek, Abhishek Sharma+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2023

Mass Spectrometry Techniques and Applications被引用 10

一句话总结

论文提出一种实验方法，利用光谱数据（NMR、MS/MS、IR）估计分子复杂性（组装指数，MA），与组装理论对齐，以实现甚至在混合物中也能快速、内在的复杂性评估。

ABSTRACT

Determining the complexity of molecules has important applications from molecular design to understanding the history of the process that led to the formation of the molecule. Currently, it is not possible to experimentally determine, without full structure elucidation, how complex a molecule is. Assembly Theory has been developed to quantify the complexity of a molecule by finding the shortest path to construct the molecule from building blocks, revealing its molecular assembly index (MA). In this study, we present an approach to rapidly and exhaustively calculate the MA of molecules from the spectroscopic measurements. We demonstrate that molecular complexity (MA) can be experimentally estimated using three independent techniques: nuclear magnetic resonance (NMR), tandem mass spectrometry (MS/MS), and infrared spectroscopy (IR), and these give consistent results with good correlations with the theoretically determined values from assembly theory. By identifying and analysing the number of absorbances in IR spectra, carbon resonances in NMR, or molecular fragments in tandem MS, the molecular assembly of an unknown molecule can be reliably estimated from experimental data. This represents the first experimentally quantifiable approach to defining molecular assembly, a reliable metric for complexity, as an intrinsic property of molecules and can also be performed on complex mixtures. This paves the way to use spectroscopic and spectrometric techniques to unambiguously detect alien life in the solar system, and beyond on exoplanets.

研究动机与目标

• 激发对超越完整结构解析的、可实验测量的分子复杂性度量的需求。
• 介绍组装理论，作为通过从基本构件的最短构建路径来量化复杂性的方式（MA）。
• 提出谱学方法，系统且快速地从实验数据估算MA。
• 证明实验MA估计值与理论计算的MA值之间的一致性。
• 突出在探测外星生命和分析复杂混合物中的潜在应用。

提出的方法

• 将组装理论中的分子组装指数（MA）定义为从构件最小的组装步骤数。
• 开发从光谱数据估算MA的程序：IR吸收、NMR碳共振和MS/MS碎片。
• 表明三种独立技术给出的一致的MA估计值，与理论MA值相关。
• 将分析应用于未知分子，以从实验测量推断它们的分子组装。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不进行完整结构解析的前提下，通过光谱数据实验估算MA？
• RQ2 IR、NMR和MS/MS是否提供与理论计算的MA相关的一致MA估计？
• RQ3 是否可以使用光谱测量对未知分子和复杂混合物可靠地确定MA？
• RQ4 以MA派生的复杂性作为探测地外生命或外源化学起源的工具的潜力如何？

主要发现

• MA可以通过NMR、MS/MS和IR实验估算，并且与理论MA值有良好相关。
• 识别并分析IR吸收、NMR中的碳共振，或MS/MS中的分子碎片，可以得到可靠的分子组装估计。
• 三种光谱技术均给出一致的MA估计，支持MA作为分子的内在属性。
• 该方法使在复杂混合物中估算MA成为可能，而不需要完成的结构解析。
• 这项工作建立了首个可通过实验量化的方法来定义分子组装及其在探测外星生命情境中的用途。