Sentir la forma de las moléculas

Publicado online el 1 de agosto de 2010 | Nature | doi:10.1038/news.2010.385

Sentir la forma de las moléculas

La estructura atómica de una pequeña molécula orgánica puede revelarse por microscopía de fuerza atómica.
Philip Ball

[ Los científicos han calculado la estructura química correcta del cefalandol A (izquierda) mediante un microscopio de fuerza atómica para crear el mapa de sus átomos (centro) y su densidad electrónica (derecha). Gross, L. et al. ]

La arquitectura a escala atómica de una complicada molécula pequeña se ha deducido escaneándola y “sintiéndola”, mediante una técnica denominada microscopía de fuerza atómica.

Como se ha publicado en la revista Nature Chemistry1, los investigadores han sido capaces de distinguir entre dos posibles estructuras moleculares de una sustancia de una bacteria oceánica usando una punta fina como una aguja para trazar la forma de la molécula sobre un cristal de sal.

La determinación de la conexión de los átomos en una molécula se había basado previamente en métodos indirectos, como el reflejo de los rayos X de cristales del material (cristalografía de rayos X) o el estudio de la absorción de ondas de radio por los átomos de la molécula (resonancia magnética nuclear, RMN).

Por el contrario, Leo Gross del Centro de Investigación de IBM en Zúrich, Suiza, y sus colaboradores han utilizado dos tipos de microscopía de sonda de barrido para tomar instantáneas de la forma molecular directamente.

“Es un resultado muy interesante y otra posible herramienta para determinar estructuras”, afirmó Judith Howard, especialista en la cristalografía de rayos X de moléculas orgánicas pequeñas de la Universidad de Durham, Reino Unido. La cristalografía de rayos X puede revelar la estructura atómica tridimensional de una molécula, pero sólo si se pueden obtener cristales de buena calidad de esa sustancia. A veces esto no es posible porque hay muy poca cantidad disponible o porque el compuesto no cristaliza.

El microscopio de efecto túnel (MET), concebido en el centro IBM de Zúrich en la década de 1980, puede revelar las estructuras de las moléculas y materiales con precisión atómica midiendo la corriente eléctrica que fluye entre una punta metálica eléctricamente cargada en movimiento y la muestra colocada justo debajo de ella. Esta corriente depende de la naturaleza química de la muestra y la cercanía de la punta.

El microscopio de fuerza atómica (MFA) “siente” la estructura a escala atómica de una muestra midiendo directamente la fuerza de atracción entre ella y la punta, que depende de la distancia entre ellas.

Manchas brillantes
Aunque tanto el MET como el MFA en principio pueden mostrar átomos individuales en una superficie plana, las moléculas tienden a aparecer como manchas brillantes con los átomos fusionados. Y la forma de la mancha sólo refleja la forma de la molécula entera si está plana sobre la superficie.

El año pasado, Gross y sus colegas demostraron por primera vez que, mediante puntas de escaneado de una sola molécula de monóxido de carbono (CO), podían hacer un MFA suficientemente sensible para trazar el marco atómico de una pequeña molécula orgánica en una superficie2, que pudieron comparar con la estructura predicha para la molécula.

Sin embargo, en este nuevo trabajo intentaban distinguir entre dos o más posibles estructuras moleculares en un caso en el que las técnicas estándar no habían podido decidir entre ellas. Esto probaría si el MFA podía confirmar no sólo lo que ya se sabía, sino aclarar lo que no.

Gross y sus colegas decidieron estudiar una molécula procedente de bacterias que viven bajo una alta presión en la parte más profunda de los océanos, 11 kilómetros bajo la superficie. Denominada cefalandol A, es uno de los muchos “productos naturales” que se están analizando como posibles fármacos.

La estructura atómica del cefalandol A se había deducido previamente por RMN, que revela la posición relativa de pares de átomos. Ese método propuso cuatro posibles estructuras, pero no resultaba fácil distinguir entre ellas: si bien se prefirió una inicialmente, otra se identificó más tarde como mejor candidata, lo que demostró la ambigüedad del experimento de RMN.

Imágenes instantáneas
Las imágenes de MET y MFA de una molécula de cefalandol A situada en un cristal de sal mostraron la forma general de la molécula, con algunos de sus anillos atómicos hexagonales visibles.

Pero por sí solas, estas imágenes no eran lo suficientemente detalladas como para decidir cuál de las dos mejores estructuras sugeridas por RMN era la correcta. Sin embargo, los investigadores también pudieron calcular cómo debían ser las imágenes de MFA para cada estructura y encontraron que sólo una de ellas encajaba con las imágenes obtenidas.

Queda por demostrar la utilidad general del método. Christian Joachim, especialista en MET del Centro de Estudios Estructurales y Elaboración de Materiales en Toulouse, Francia, advirtió que “muchos investigadores todavía están debatiendo lo que estas imágenes de MFA con una punta de CO están mostrando realmente”. Además, le preocupa que la estructura de una molécula pueda quedar alterada cuando se deposita sobre una superficie de cristal. “La técnica que se usa normalmente para la deposición es muy destructiva”, afirmó.

Howard está de acuerdo en que la estructura de la molécula en tales condiciones puede no ser representativa. “Se debe permitir cualquier perturbación en la forma, y esto sólo se puede hacer cuando se está bastante seguro de la forma con la que se empieza”, aseguró.

“No va a sustituir la cristalografía como técnica estándar –concluyó Howard–. Podemos resolver estructuras mediante cristalografía sin ninguna información previa, pero hasta ahora no creo que este método lo pueda hacer.”