Medir cómo se comunican las moléculas
Un nuevo método permite medir directamente las cargas parciales de las moléculas
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Un equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Viena ha logrado desarrollar un nuevo método para medir directamente las cargas parciales de las moléculas. Los resultados, publicados ahora en Nature, aportan nuevos conocimientos sobre las interacciones moleculares y ofrecen aplicaciones potenciales en el desarrollo de fármacos y la ciencia de materiales.
La cristalografía electrónica permite conocer la disposición atómica de los compuestos químicos. Gracias a la modelización iSFAC, se descubrió que el ion cloruro de la ciprofloxacina tiene una carga parcial de -0,4 en lugar de -1, lo que afecta a la interacción del fármaco en los sistemas biológicos.
C: Gruene/Schroeder
Las fuerzas electrostáticas (interacciones atractivas o repulsivas entre átomos o moléculas) son la base de todas las interacciones moleculares: Son fundamentales para que las moléculas se ensamblen, alineen y respondan entre sí. En química, estas fuerzas se describen en términos de cargas parciales: pequeños desequilibrios en la distribución de los electrones dentro de una molécula. Estos sutiles cambios de carga determinan cómo interactúan las moléculas entre sí y con su entorno. Son fundamentales para entender la reactividad química, la función biológica y el comportamiento de los materiales. En medicina, por ejemplo, las cargas parciales influyen en la absorción, distribución y metabolización de los fármacos, y pueden determinar tanto sus efectos terapéuticos como sus posibles efectos secundarios. Sin embargo, a pesar de su importancia, las cargas parciales han seguido siendo puramente teóricas: hasta ahora no había forma de medirlas directamente.
Un gran avance en la medición de cargas moleculares
Un equipo de investigadores dirigido por Tim Grüne, Director del Centro de Análisis de Estructuras Cristalinas, y Christian Schröder, del Departamento de Química Biológica Computacional de la Universidad de Viena, ha desarrollado un método que permite determinar las cargas parciales de forma experimental. "Utilizamos una técnica llamada difracción de electrones", explica Grüne. "Consiste en dirigir un fino haz de electrones a un cristal diminuto. Como los electrones están cargados, son sensibles al potencial electrostático del cristal y, por tanto, a las cargas parciales de los átomos. Las minúsculas desviaciones del haz resultantes se registraron con una nueva cámara desarrollada en el Instituto Paul Scherrer de Suiza".
El equipo combinó los datos de difracción con un nuevo método de análisis denominado modelización del factor de dispersión iónica (iSFAC). En este método, cada átomo de una molécula se modela simultáneamente como una especie neutra y como una especie cargada. Comparando el modelo con los datos experimentales, los investigadores pudieron cuantificar la carga parcial de cada átomo.
"Hasta ahora, las cargas parciales se estimaban mediante métodos computacionales", explica Christian Schröder. "Algunos de ellos ajustan las cargas atómicas para reproducir el potencial electrostático molecular, dando lugar a las llamadas cargas derivadas del potencial electrostático (cargas ESP). Otras dividen la densidad electrónica entre los átomos. Aunque se utilizan ampliamente en la modelización molecular, estos métodos pueden arrojar valores diferentes en función del algoritmo. Nuestra nueva técnica experimental proporciona ahora un medio para evaluar y refinar estos modelos teóricos al ofrecer un enlace directo".
Amplia aplicabilidad a todo tipo de moléculas
Para demostrar la amplia aplicabilidad de su método, los investigadores examinaron un conjunto diverso de compuestos cristalinos, entre ellos el catalizador industrial ZSM-5, los aminoácidos tirosina e histidina, el ácido tartárico del vino austriaco y el antibiótico ampliamente utilizado ciprofloxacino. En el caso del ciprofloxacino, que figura en la lista de medicamentos esenciales de la Organización Mundial de la Salud y se administra habitualmente en forma de sal clorhidrato, el análisis demostró que el ion cloruro (Cl-) sólo tiene un 40% de la carga negativa total. Esto demuestra hasta qué punto el entorno de una molécula puede influir en la distribución local de la carga.
Potencial para el diseño de fármacos y materiales
El Centro de Análisis de Estructuras Cristalinas de la Universidad de Viena ha desempeñado un papel fundamental en el avance de la cristalografía electrónica en los últimos años. Con este último avance, la técnica va más allá de la determinación de las posiciones atómicas para revelar experimentalmente las propiedades electrónicas. La capacidad de medir cargas parciales abre nuevas posibilidades para diseñar fármacos con mayor especificidad y menos efectos secundarios, así como materiales funcionales con propiedades ajustadas con precisión.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Soheil Mahmoudi, Tim Gruene, Christian Schröder, Khalil D. Ferjaoui, Erik Fröjdh, Aldo Mozzanica, Kiyofumi Takaba, Anatoliy Volkov, Julian Maisriml, Vladimir Paunović, Jeroen A. van Bokhoven, Bernhard K. Keppler; "Experimental determination of partial charges with electron diffraction"; Nature, 2025-8-20
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