Los medicamentos contra el cáncer dirigidos funcionan estableciendo un vínculo estrecho entre las células cancerosas y los objetivos moleculares específicos que participan en el crecimiento y la propagación del cáncer. Las imágenes detalladas de dichos sitios o vías de enlace químico pueden proporcionar la información clave necesaria para maximizar la eficacia de los tratamientos oncogénicos. Sin embargo, Los movimientos atómicos en una molécula nunca han sido capturados en medio de la acción, ni siquiera para una molécula extremadamente simple como una molécula triatómica, hecho de solo tres átomos.

Un equipo de investigación dirigido por Ihee Hyotcherl del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) (Profesor, Departamento de Química, KAIST), en colaboración con científicos del Instituto de Ciencia de la Estructura de Materiales de KEK (KEK IMSS, Japón), RIKEN (Japón) y Pohang Accelerator Laboratory (PAL, Corea del Sur), informó la observación directa del momento de nacimiento de los enlaces químicos mediante el seguimiento de las posiciones atómicas en tiempo real en la molécula.

"Finalmente logramos capturar el proceso de reacción en curso de la formación del enlace químico en el trímero de oro. Las imágenes de resolución de femtosegundos revelaron que tales eventos moleculares tuvieron lugar en dos etapas separadas, no simultáneamente como se suponía anteriormente, "dice el director asociado Ihee Hyotcherl, el autor correspondiente del estudio. "Los átomos del complejo trímero de oro permanecen en movimiento incluso después de que se completa el enlace químico. La distancia entre los átomos aumenta y disminuye periódicamente, exhibiendo la vibración molecular. Estas vibraciones moleculares visualizadas nos permitieron nombrar el movimiento característico de cada modo vibratorio observado, "agrega Ihee.

Los átomos se mueven extremadamente rápido a una escala de femtosegundos (fs), cuadrillonésimas de segundo. El movimiento es diminuto al nivel de los angstroms, igual a una diez mil millonésima parte de un metro. Son especialmente esquivos durante el estado de transición en el que los intermedios de reacción están pasando de reactivos a productos en un instante. El equipo de investigación hizo posible esta desafiante tarea experimental mediante el uso de liquidografía de rayos X de femtosegundos (dispersión de solución).

Esta técnica experimental combina fotólisis láser y técnicas de dispersión de rayos X. Cuando un pulso de láser golpea la muestra, Los rayos X se dispersan e inician la reacción de formación de enlaces químicos en el complejo de trímero de oro. Se utilizaron pulsos de rayos X de femtosegundos obtenidos de una fuente de luz especial llamada láser de electrones libres de rayos X (XFEL) para interrogar el proceso de formación de enlaces. Los experimentos se realizaron en dos instalaciones XFEL (acelerador lineal de cuarta generación), PAL-XFEL en Corea del Sur y SACLA en Japón, y este estudio se realizó en colaboración con investigadores de KEK IMSS, Laboratorio del acelerador de Pohang (PAL), RIKEN, y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI).

Las ondas dispersas de cada átomo interfieren entre sí y, por lo tanto, sus imágenes de dispersión de rayos X se caracterizan por direcciones de viaje específicas. El equipo de investigación del IBS rastreó las posiciones en tiempo real de los tres átomos de oro a lo largo del tiempo mediante el análisis de imágenes de dispersión de rayos X, que están determinados por una estructura tridimensional de una molécula. Los cambios estructurales en el complejo de moléculas dieron como resultado múltiples imágenes de dispersión características a lo largo del tiempo. Cuando una molécula es excitada por un pulso láser, se excitan simultáneamente múltiples estados cuánticos vibratorios. La superposición de varios estados cuánticos vibratorios excitados se denomina paquete de ondas. Los investigadores rastrearon el paquete de ondas en coordenadas nucleares tridimensionales y encontraron que la primera media ronda de enlace químico se formó dentro de los 35 fs después de la fotoexcitación. La segunda mitad de la reacción siguió dentro de 360 ​​fs para completar toda la dinámica de reacción.

Los investigadores también ilustraron con precisión los movimientos de vibración molecular tanto temporal como espacialmente. Esta es una hazaña bastante notable considerando que una velocidad tan ultrarrápida y una duración de un minuto de movimiento son condiciones muy desafiantes para adquirir datos experimentales precisos.

En este estudio, el equipo de investigación del SII mejoró su estudio de 2015 publicado por Naturaleza . En el estudio anterior de 2015, la velocidad de la cámara de rayos X (resolución de tiempo) se limitó a 500 fs, y la estructura molecular ya había cambiado para ser lineal con dos enlaces químicos dentro de 500 fs. (Figura 2, arriba a la derecha) En este estudio, el progreso de la formación de enlaces y la transformación estructural doblada a lineal se pudo observar en tiempo real, gracias a la mejora del tiempo de resolución hasta 100 fs. De este modo, el mecanismo de formación de enlaces asíncronos en el que se forman dos enlaces químicos en 35 fs y 360 fs, respectivamente, y la transformación doblada a lineal completada en 335 fs se visualizaron (Figura 2, inferior derecha). En breve, además de observar el comienzo y el final de las reacciones químicas, informaron cada paso del intermedio, reordenamiento continuo de configuraciones nucleares con métodos experimentales y analíticos dramáticamente mejorados.

El equipo de investigación impulsará este método de "seguimiento en tiempo real de las posiciones atómicas en una molécula y la vibración molecular utilizando la dispersión de rayos X de femtosegundos" para revelar los mecanismos de las reacciones catalíticas orgánicas e inorgánicas y las reacciones que involucran proteínas en el cuerpo humano. "Al rastrear directamente las vibraciones moleculares y las posiciones en tiempo real de todos los átomos de una molécula en medio de la reacción, Podremos descubrir los mecanismos de varias reacciones catalíticas orgánicas e inorgánicas desconocidas y reacciones bioquímicas, "dice el Dr. KIM Jong Goo, el primer autor del estudio.

El estudio se publica en Naturaleza .