Un equipo internacional de investigadores dirigido por el químico Roberto R. Gil de la Universidad Carnegie Mellon y el químico Armando Navarro-Vázquez de la Universidad Federal de Pernambuco ha desarrollado un programa que automatiza el proceso de descifrar la estructura tridimensional de una molécula. La técnica, descrito en un artículo en Angewandte Chemie , comprime un proceso que generalmente toma días en minutos y podría acortar el proceso de descubrimiento de fármacos al reducir el error humano.

Descubrir la estructura química de una molécula desde cero es una parte esencial de la investigación de sustancias químicas que provienen de la naturaleza. o "productos naturales". Para sustancias con posible uso farmacéutico, esa estructura puede revelar cómo la sustancia podría interactuar con el cuerpo humano.

"Si la molécula va a ser una droga, necesita conocer la forma de la molécula para saber cómo va a interactuar con un receptor, "dice Gil, profesor del Departamento de Química del Mellon College of Science de Carnegie Mellon.

El primer paso para determinar la estructura de una molécula es determinar sus bloques de construcción atómicos, seguido de descubrir su estructura bidimensional, que muestra cómo cada átomo está conectado entre sí. Si bien algunos enlaces atómicos son rígidos, otros pueden rotar alrededor de una articulación, haciendo posible que moléculas con los mismos componentes y estructuras bidimensionales (2D) tengan diferentes formas tridimensionales (3D).

Pequeñas diferencias de forma pueden traducirse en grandes cambios en la forma en que actúan las drogas en el cuerpo. Por ejemplo, la rotación de un enlace en el popular analgésico ibuprofeno lo vuelve completamente inactivo. Similar, el almidón y la celulosa comparten la misma estructura 2D pero tienen diferentes formas 3D. Esa diferencia es la razón por la que los humanos pueden digerir granos y no madera.

Gil y Navarro-Vázquez han estado trabajando durante ocho años para simplificar el proceso de búsqueda y clasificación de las posibles formas 3D para cualquier estructura 2D dada. Y con las herramientas de laboratorio para recopilar datos sobre la estructura 3D de una molécula cada vez más generalizadas y disponibles, había llegado el momento de desarrollar un método para automatizar y agilizar el proceso.

Los investigadores crearon un programa, escrito en el lenguaje de programación Python, que hace uso de la información de acoplamiento dipolar residual (RDC), una medida de la distancia entre los átomos que se extienden desde los enlaces rotativos. Alimentado con datos sobre una molécula determinada de experimentos de RDC, el programa genera posibles formas en las que la molécula puede existir en tres dimensiones, y elige la opción más probable.

La técnica es más eficaz para abordar la estructura 3D de moléculas orgánicas que son de tamaño pequeño a mediano, y relativamente rígido, con átomos de carbono empaquetados en anillos en lugar de enlazados en largos, cadenas flexibles. El equipo probó su programa en seis de esas moléculas, incluyendo naltrexona, un medicamento utilizado para bloquear los efectos de los opioides, y estricnina, un pesticida.

Primero, determinaron la estructura 2D de cada molécula utilizando un programa de elucidación de estructuras asistido por computadora (CASE), con la ayuda de una colaboración con Clemens Anklin, vicepresidente de aplicaciones y formación de RMN en Bruker Corporation. Ellos alimentaron esa información junto con los datos de RDC sobre la molécula, en su nuevo programa. En cada caso, su programa pudo seleccionar la estructura 3D correcta.

"Pulsas un botón, y con poca o ninguna intervención humana, pasa de la estructura 2D a la 3D en una sola toma, "dice Gil.

Pero tan importante como la velocidad del programa es su minuciosidad.

"La cantidad de productos naturales que se informa erróneamente, donde la estructura informada no se corresponde con la estructura real, es realmente grande, "dice Navarro-Vázquez, profesor de química en la Universidade Federal de Pernambuco en Brasil. Este programa podría ser una forma valiosa de verificar posibles estructuras que, de otro modo, los investigadores podrían pasar por alto. ayudándoles a evitar sus propios prejuicios inherentes.

Gil remonta su visión de este proceso a su época como estudiante de posgrado y una conversación con un mentor hace 30 años sobre la idea de que los químicos algún día podrían poner una sustancia en una máquina y ver su estructura con solo presionar un botón. Pronto, el espera, programas como el suyo y la creación de Navarro-Vázquez integrarán los pasos anteriores del proceso, acercando aún más esa visión a la realidad.

"Estamos muy cerca, ", dice Gil." Este es el sueño de cualquier químico ".