Em um novo estudo que um cientista chamou de de cair o queixo, uma equipe conjunta da UCLA / Caltech mostrou que é possível obter as estruturas de pequenas moléculas, como certos hormônios e medicamentos, em apenas 30 minutos. Isso é horas e até dias menos do que era possível antes.

A equipe usou uma técnica chamada difração de microeletrons (MicroED), que tinha sido usado no passado para aprender as estruturas 3-D de moléculas maiores, especificamente proteínas. Neste novo estudo, os pesquisadores mostram que a técnica pode ser aplicada a pequenas moléculas, e que o processo requer muito menos tempo de preparação do que o esperado. Ao contrário de técnicas relacionadas, algumas das quais envolvem o cultivo de cristais do tamanho de grãos de sal, este método, como o novo estudo demonstra, pode trabalhar com amostras iniciais comuns, às vezes até o pó raspava da lateral de um copo.

"Pegamos as amostras mais simples que você pode obter e obtivemos as estruturas da mais alta qualidade em quase nenhum momento, "diz o professor de química da Caltech, Brian Stoltz, quem é co-autor do novo estudo, publicado no jornal ACS Central Science . "Quando vi os resultados pela primeira vez, meu queixo caiu no chão. "Inicialmente lançado no servidor de pré-impressão Chemrxiv em meados de outubro, o artigo foi visto mais de 35, 000 vezes.

A razão pela qual o método funciona tão bem em amostras de moléculas pequenas é que, embora as amostras possam parecer pós simples, eles realmente contêm cristais minúsculos, cada um cerca de um bilhão de vezes menor do que uma partícula de poeira. Os pesquisadores já sabiam sobre esses microcristais ocultos antes, mas não perceberam que poderiam revelar facilmente as estruturas moleculares dos cristais usando MicroED. "Eu não acho que as pessoas perceberam o quão comum esses microcristais são nas amostras pulverulentas, "diz Stoltz." Isso é como ficção científica. Eu não pensei que isso aconteceria na minha vida - que você pudesse ver estruturas de pós. "

Os resultados têm implicações para os químicos que desejam determinar as estruturas de pequenas moléculas, que são definidos como aqueles que pesam menos de cerca de 900 daltons. (Um dalton tem aproximadamente o peso de um átomo de hidrogênio.) Esses minúsculos compostos incluem certos produtos químicos encontrados na natureza, algumas substâncias biológicas como hormônios, e uma série de drogas terapêuticas. As possíveis aplicações da metodologia de localização de estruturas MicroED incluem a descoberta de drogas, análise de laboratório criminal, testes médicos, e mais. Por exemplo, Stoltz diz, o método pode ser útil para testar as drogas mais recentes para melhorar o desempenho em atletas, onde apenas vestígios de um produto químico podem estar presentes.

“O passo mais lento para fazer novas moléculas é determinar a estrutura do produto. Pode não ser mais o caso, como esta técnica promete revolucionar a química orgânica, "diz Robert Grubbs, Victor e Elizabeth Atkins, Professores de Química da Caltech e ganhadora do Prêmio Nobel de Química de 2005, que não participou da pesquisa. "A última grande mudança na determinação da estrutura antes disso foi a espectroscopia de ressonância magnética nuclear, que foi apresentado por Jack Roberts na Caltech no final dos anos 60. "

Como outros químicos sintéticos, Stoltz e sua equipe passam o tempo tentando descobrir como montar produtos químicos no laboratório a partir de materiais básicos. Seu laboratório concentra-se em pequenas moléculas naturais como a família de compostos beta-lactâmicos derivados de fungos, que estão relacionados às penicilinas. Para construir esses produtos químicos, eles precisam determinar as estruturas das moléculas em suas reações - tanto as moléculas intermediárias quanto os produtos finais - para ver se estão no caminho certo.

Uma técnica para fazer isso é a cristalografia de raios-X, em que uma amostra química é atingida por raios X que difratam seus átomos; o padrão desses raios-X difratores revela a estrutura 3-D do produto químico em questão. Muitas vezes, este método é usado para resolver as estruturas de moléculas realmente grandes, como proteínas de membrana complexas, mas também pode ser aplicado a moléculas pequenas. O desafio é que, para realizar este método, um químico deve criar pedaços de cristal de bom tamanho a partir de uma amostra, o que nem sempre é fácil. "Uma vez, passei meses tentando obter os cristais certos para uma de minhas amostras, "diz Stoltz.

Outro método confiável é NMR (ressonância magnética nuclear), que não requer cristais, mas requer uma quantidade relativamente grande de uma amostra, que pode ser difícil de acumular. Também, NMR fornece apenas informações estruturais indiretas.

Até agora, MicroED - que é semelhante à cristalografia de raios-X, mas usa elétrons em vez de raios-X - foi usado principalmente em proteínas cristalizadas e não em pequenas moléculas. Coautor Tamir Gonen, um especialista em cristalografia de elétrons da UCLA que começou a desenvolver a técnica MicroED para proteínas enquanto estava no Howard Hughes Medical Institute na Virgínia, disse que só começou a pensar em usar o método em pequenas moléculas depois de se mudar para a UCLA e se associar à Caltech.

"Tamir estava usando essa técnica em proteínas, e acabaram de mencionar que às vezes podem fazê-lo funcionar usando apenas amostras pulverulentas de proteínas, "diz Hosea Nelson (Ph.D. '13), professor assistente de química e bioquímica na UCLA. "Minha mente foi explodida com isso, que você não tem que crescer cristais, e foi nessa época que a equipe começou a perceber que poderíamos aplicar esse método a uma classe totalmente nova de moléculas com implicações de amplo alcance para todos os tipos de química. "

A equipe testou várias amostras de qualidades variadas, sem nunca tentar cristalizá-los, e foram capazes de determinar suas estruturas graças aos amplos microcristais das amostras. Eles conseguiram obter estruturas para amostras moídas dos medicamentos de marca Tylenol e Advil, e eles foram capazes de identificar estruturas distintas de uma mistura em pó de quatro produtos químicos.

A equipe da UCLA / Caltech espera que esse método se torne rotina nos laboratórios de química no futuro.

"Em nossos laboratórios, temos alunos e pós-docs criando entidades moleculares totalmente novas e únicas todos os dias, "diz Stoltz." Agora temos o poder de descobrir rapidamente o que são. Isso vai mudar a química sintética. "