Investigadores del grupo de Fotónica Molecular del Instituto Van "t Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Amsterdam han mejorado significativamente la determinación experimental de la quiralidad o" destreza "de las moléculas usando espectroscopía de dicroísmo circular vibracional (VCD). Empleando un algoritmo genético fueron capaces de "dominar" las incertidumbres en el análisis de VCD que resultan del hecho de que las moléculas flexibles pueden adoptar muchas conformaciones estructurales. Su mejora podría ver la aplicación de VCD a gran escala, por ejemplo, como herramienta para el cribado de alto rendimiento de compuestos farmacéuticos o el seguimiento en tiempo real de procesos (bio) químicos.

El equipo dirigido por el profesor Wybren Jan Buma publica su novedoso método VCD en la edición del 7 de septiembre de Ciencia química , la revista insignia de la Royal Society of Chemistry.

Según el primer autor Ph.D. estudiante Mark Koenis, "Ahora es posible determinar la destreza de las moléculas de forma mucho más fiable y con mejores medidas cuantitativas que antes".

En su papel Buma y sus compañeros de trabajo demuestran su enfoque novedoso, Entre otros, por estudios sobre citronelal. Es un ejemplo típico de la clase de moléculas que hasta ahora han planteado desafíos, a menudo insuperables, para el análisis de VCD. Es quiral lo que significa que puede existir como dos estructuras moleculares que son imágenes especulares no superponibles entre sí, como una mano derecha y una mano izquierda. También es una molécula muy flexible y dinámica que puede adoptar muchas estructuras espaciales diferentes, llamadas conformaciones.

La variación espacial confunde la determinación de la quiralidad

Siendo quiral El citronelal representa una clase de moléculas de gran relevancia bioquímica y farmacéutica. Dado que muchas moléculas biológicas (proteínas, enzimas receptores, y así sucesivamente) son quirales, la "lateralidad" de las moléculas quirales determina sus interacciones biológicas. En el caso del citronelal, sus estructuras de espejo quirales (llamadas enantiómeros) difieren en la interacción con los receptores olfativos de modo que la molécula "zurda" huele a naranjas y su contraparte "diestra" a limones. En muchas otras moléculas, el efecto de la quiralidad puede ser mucho más dramático. En aplicaciones farmacéuticas, por ejemplo, un enantiómero de un fármaco puede tener un efecto terapéutico beneficioso, mientras que el otro tiene consecuencias biológicas nocivas.

Ser flexible y dinámico, citronelal ilustra los desafíos de la determinación de quiralidad por medio de espectroscopía VCD. VCD hace uso de luz polarizada circularmente que de hecho muestra una "mano derecha" en la diferencia entre la polarización circular izquierda y derecha. Por lo tanto, permite distinguir entre moléculas diestras y zurdas. La sofisticada técnica produce una huella digital espectroscópica que es única para cada molécula e incluso para cada imagen especular de la misma molécula. De hecho, para todos los propósitos prácticos, VCD es la única técnica capaz de distinguir entre enantiómeros en condiciones de la vida real.

El inconveniente sin embargo, es eso, como el citronelal, muchas moléculas son flexibles y dinámicas, adoptando muchas estructuras espaciales diferentes. Cada estructura tiene su propia huella digital, de modo que un espectro VCD real es el total de todas las huellas digitales de todas las variantes moleculares espaciales presentes en la muestra. Agregando a esto, mas estable, Las variantes de baja energía estarán más presentes que las de mayor energía, por lo que no todas las variantes contribuyen por igual al espectro de VCD. Por tanto, la libertad estructural constituye un grave problema para determinar la quiralidad en estos casos.

Algoritmo genético

La solución habitual en el análisis VCD es determinar todas las posibles conformaciones de la molécula bajo investigación, calcular sus energías y las huellas dactilares correspondientes, y luego promediar estos componentes individuales y comparar el espectro resultante con el espectro VCD experimental.

Este es, sin embargo, mucho menos claro de lo que podría parecer. Hay muchos métodos disponibles para el cálculo de energías de las diversas estructuras espaciales, desde muy simple hasta muy avanzado. Según Buma, "En el peor de los casos, puede ser que un tipo de cálculo lleve a la conclusión de que la molécula tiene un tipo particular de destreza, mientras que otro tipo de cálculo llevaría a la conclusión opuesta ".

Su equipo ahora ha mejorado significativamente la estrategia de "calcular y comparar" teniendo en cuenta explícitamente la incertidumbre en las energías calculadas. Utilizando un algoritmo genético que utiliza los principios de evolución y "supervivencia del más apto", pudieron ajustar las contribuciones de las diversas huellas dactilares de tal manera que se obtuviera la mejor concordancia con el espectro VCD experimental. "La belleza de nuestro enfoque es que la mano derecha siempre conduce a un mejor acuerdo con los datos experimentales que la mano opuesta, "dice Koenis." Aún más importante, nos permite presentar una medida cuantitativa de la fiabilidad de la asignación de VCD ".

Incrementar las oportunidades de aplicación

El algoritmo genético no solo se probó con citronelal sino también con deshidroquinidina, una molécula quiral que representa el peor de los casos porque muestra grandes cambios estructurales dinámicos.

Es más, el espectro VCD de la deshidroquinidina es experimentalmente mucho más difícil de obtener y, por lo tanto, el espectro disponible es de una calidad mucho más baja de lo que normalmente se busca. Los resultados muestran que incluso para moléculas tan difíciles, el enfoque novedoso es muy superior a todos los métodos existentes para la asignación de configuración absoluta.

Los investigadores esperan que su mejora de la fiabilidad del VCD como herramienta analítica ponga al alcance de la mano aplicaciones como el control de calidad en la producción de ingredientes farmacéuticos. Ya han realizado estudios para determinar los niveles de impurezas quirales utilizando VCD. "También hemos demostrado que se pueden abordar problemas notoriamente difíciles, como moléculas con muchos centros quirales, "dice Buma. Teniendo en cuenta que el VCD es experimentalmente más simple y rentable que otras técnicas, prevé mayores oportunidades para la aplicación de la técnica tanto en el desarrollo como en la producción a gran escala de moléculas quirales.