Las moléculas pequeñas, desde metabolitos y hormonas naturales hasta medicamentos sintéticos y pesticidas, pueden tener grandes efectos en los seres vivos.
Pero para que los científicos comprendan cómo funcionan las moléculas, y cómo diseñar las benéficas, necesitan conocer la disposición precisa de sus átomos y enlaces químicos.
Nuevo enfoque
Actualmente, el estándar de oro para determinar estructuras de moléculas pequeñas es la cristalografía de rayos X.
En esta técnica, en términos básicos, los investigadores cristalizan una pequeña molécula que luego bombardean con rayos X, los cuales se difractan en patrones complejos y revelan la estructura 3D de la molécula. Sin embargo se trata de un método que requiere mucho tiempo, y para algunos compuestos es imposible.
En este sentido, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles, se preguntaron si podrían usar una forma de microscopía crioelectrónica para caracterizar moléculas pequeñas.
La técnica conocida como difracción de microcristales y electrones (MicroED), se desarrolló hace 5 años para estudiar las estructuras de proteínas.
En la MicroED, los cristales se exponen a un haz de electrones enfocado en un microscopio electrónico, en lugar de rayos X.
Los electrones interactúan con la materia mucho más fuertemente que los rayos X, lo que hace posible utilizar cristales de sólo una millonésima parte del tamaño de los cristales usados en la difracción de rayos X.
Ahora, la mayor interacción de los electrones de irradiación con el objetivo molecular tiene un precio: se hace más daño a la muestra en comparación con la cristalografía de rayos X.
Para reducir este daño, la MicroED utiliza un haz de electrones altamente atenuado, y los cristales se congelan y se toman imágenes en condiciones criogénicas.
La congelación prolonga la vida útil de los cristales, y por lo tanto, amplía el rango de muestras que se pueden estudiar.
Un análisis mucho más rápido
Los investigadores probaron por primera vez MicroED en una muestra de progesterona en polvo que contenía miles de nanocristales.
Se enfocaron en un solo cristal y recolectaron datos de difracción de electrones desde diferentes ángulos, determinando su estructura a alta resolución (1 angstrom) en menos de 30 minutos, un gran avance en comparación con las semanas o meses que le llevaría a la cristalografía de rayos X.
Otros 11 productos naturales, sintéticos y farmacéuticos, incluyendo paracetamol, ibuprofeno y varios antibióticos, se continuaron caracterizando exitosamente en poco tiempo.
Los investigadores señalan que la MicroED podría acelerar los procesos para el desarrollo de fármacos, ya que las compañías farmacéuticas podrían analizar más muestras más rápido que nunca, lo que reduciría el tiempo que lleva verificar la estructura molecular de los potenciales fármacos.
Al respecto, el investigador Hosea Nelson, profesor de química y bioquímica en la UCLA y coautor del estudio, comentó:
“Al usar esta técnica, la velocidad a la que podemos formular medicamentos se acelerará en gran medida. Será como pasar de andar en triciclo a conducir un Ferrari”.
Referencia: The CryoEM Method MicroED as a Powerful Tool for Small Molecule Structure Determination. ACS Central Sience, 2018. https://doi.org/10.1021/acscentsci.8b00760