La inmovilización de pequeñas moléculas artificiales dentro de cristales de proteínas es una forma prometedora de estudiar los intermediarios formados durante las reacciones químicas, informan los científicos de Tokyo Tech. Al integrar este método con la cristalografía en serie de femtosegundos resuelta en el tiempo, visualizaron con éxito la dinámica de la reacción y los rápidos cambios estructurales que ocurren dentro de los centros de reacción dinámicos dentro de los cristales de proteínas. Esta estrategia innovadora tiene un potencial significativo para el diseño inteligente de fármacos, catalizadores y materiales activos.
La mayoría de las reacciones químicas complejas, ya sean sintéticas o biológicas, no implican la conversión directa de reactivos en productos. En cambio, a menudo proceden mediante la formación de compuestos intermedios de vida corta que sufren reacciones adicionales hasta que se obtiene el producto final. Una comprensión detallada de estos procesos graduales es fundamental para los avances en campos como la generación de energía, la catálisis y la medicina.
Sin embargo, visualizar intermediarios de vida corta en reacciones químicas es bastante difícil, especialmente si es necesario capturar cambios estructurales en una molécula a nivel atómico. Un método innovador para lograr esto es la cristalografía de femtosegundos en serie con resolución temporal (TR-SFX). La técnica consiste en disparar pulsos de láser de electrones muy rápidos a estructuras moleculares cristalizadas y capturar los patrones de difracción resultantes. Estas estructuras moleculares se encuentran en diferentes etapas de una reacción química, lo que permite registrar la cinética de la reacción. A pesar de su sorprendente potencial, la aplicación de TR-SFX se ha limitado hasta ahora a la mayoría de las biomacromoléculas.
Para ampliar el uso de esta poderosa técnica y demostrar su potencial para otro tipo de moléculas, un equipo de investigación en Japón, dirigido por el profesor Takafumi Ueno, la aplicó para analizar reacciones en compuestos sintéticos. Utilizando un enfoque innovador, obtuvieron con éxito la cinética de la emisión de monóxido de carbono (CO) a partir de Mn(CO).3. Su estudio fue publicado
Una limitación importante que los investigadores tuvieron que superar fue el hecho de que TR-SFX funciona mejor con microcristales, como los formados por biomacromoléculas. Además, aunque las moléculas pequeñas pueden formar cristales adecuados para TR-SFX, estos cristales suelen estar muy compactos, lo que deja poco espacio para la reactividad.
Para abordar estos problemas, el equipo desarrolló una estrategia innovadora en torno a la lisozima de clara de huevo de gallina (HEWL). Esta proteína natural no solo cristaliza en una estructura nanoporosa adecuada para TR-SFX, sino que también contiene terminales His15 que se unen fuertemente a los metales. Los investigadores aprovecharon estas propiedades para inmovilizar el Mn(CO) sensible a la luz.3HEWL contiene el compuesto dentro del cristal. Esta configuración proporcionó un entorno adecuado para estudiar la reacción de liberación de CO, que se desencadenó disparando pulsos de luz al cristal en intervalos de tiempo cuidadosamente controlados en relación con los pulsos del láser de electrones TR-SFX.
En general, este protocolo demostró ser muy prometedor para investigar la reactividad del objetivo mediante el análisis de cambios en los mapas de densidad electrónica obtenidos por TR-SFX. “Después de la liberación de CO, los centros de Mn suelen sufrir dimerización, oxidación de arilo o precipitación en solución, lo que complica las investigaciones mecanísticas. En nuestro trabajo, al aislar los centros de reacción de Mn en un entorno proteico confinado, permitimos un análisis experimental detallado de los intermedios generados durante este reacción,” explica Ueno.
En particular, los resultados experimentales coincidieron excelentemente con los cálculos de la mecánica cuántica, lo que validó la estrategia propuesta. “Hemos establecido que, utilizando cristales de proteínas como matriz, se puede estudiar la reactividad de complejos metálicos sintéticos, incluida la determinación de cualquier estructura intermedia.,” Ueno concluyó: “Estos avances tienen el potencial de facilitar el diseño de metaloenzimas sintéticas con una metodología precisa, potenciando el diseño, control y desarrollo de reacciones innovadoras..“
En conclusión, el método desarrollado en este trabajo proporciona una vía para el diseño inteligente de nuevos fármacos, catalizadores y sistemas enzimáticos que contienen componentes no biológicos. ¡Esperemos que esta nueva herramienta impulse muchos campos aplicados hacia tecnologías de próxima generación!
