Mesurer la communication des molécules
Une nouvelle méthode permet de mesurer directement les charges partielles dans les molécules
Annonces
Une équipe de recherche internationale dirigée par l'université de Vienne a réussi à mettre au point une nouvelle méthode pour mesurer directement les charges partielles dans les molécules. Les résultats, qui viennent d'être publiés dans Nature, donnent un nouvel aperçu des interactions moléculaires et offrent des applications potentielles dans le développement de médicaments et la science des matériaux.
La cristallographie électronique permet de mieux comprendre l'arrangement atomique des composés chimiques. La modélisation iSFAC a permis de découvrir que l'ion chlorure de la ciprofloxacine porte une charge partielle de -0,4 au lieu d'une charge totale de -1, ce qui influe sur la manière dont le médicament interagit avec les systèmes biologiques.
C: Gruene/Schroeder
Les forces électrostatiques - les interactions attractives ou répulsives entre atomes ou molécules - sont au cœur de toutes les interactions moléculaires : Elles jouent un rôle fondamental dans la façon dont les molécules s'assemblent, s'alignent et réagissent les unes par rapport aux autres. En chimie, ces forces sont décrites en termes de charges partielles : de minuscules déséquilibres dans la répartition des électrons au sein d'une molécule. Ces subtils changements de charge régissent la manière dont les molécules interagissent entre elles et avec leur environnement. Ils sont essentiels pour comprendre la réactivité chimique, la fonction biologique et le comportement des matériaux. En médecine, par exemple, les charges partielles influencent la façon dont les médicaments sont absorbés, distribués et métabolisés, et peuvent déterminer leurs effets thérapeutiques et leurs effets secondaires potentiels. Pourtant, malgré leur importance, les charges partielles sont restées purement théoriques : jusqu'à présent, il n'existait aucun moyen de les mesurer directement.
Percée dans la mesure des charges moléculaires
Une équipe de recherche dirigée par Tim Grüne, chef de la Core Facility for Crystal Structure Analysis, et Christian Schröder du département de chimie biologique computationnelle de l'université de Vienne, a maintenant mis au point une méthode qui permet de déterminer les charges partielles de manière expérimentale. "Nous avons utilisé une technique appelée diffraction électronique", explique M. Grüne. "Elle consiste à diriger un fin faisceau d'électrons vers un minuscule cristal. Les électrons étant chargés, ils sont sensibles au potentiel électrostatique à l'intérieur du cristal et donc aux charges partielles des atomes. Les minuscules déviations du faisceau qui en résultent ont été enregistrées à l'aide d'une nouvelle caméra mise au point à l'Institut Paul Scherrer en Suisse".
L'équipe a combiné les données de diffraction avec une nouvelle méthode d'analyse appelée modélisation du facteur de diffusion ionique (iSFAC). Dans cette approche, chaque atome d'une molécule est modélisé simultanément comme une espèce neutre et comme une espèce chargée. En comparant le modèle aux données expérimentales, les chercheurs ont pu quantifier la charge partielle de chaque atome.
"Jusqu'à présent, les charges partielles étaient estimées à l'aide de méthodes informatiques", explique Christian Schröder. "Certaines de ces méthodes adaptent les charges atomiques pour reproduire le potentiel électrostatique moléculaire, ce qui donne ce que l'on appelle les charges dérivées du potentiel électrostatique (charges ESP). D'autres répartissent la densité électronique entre les atomes. Bien que largement utilisées dans la modélisation moléculaire, ces méthodes peuvent donner des valeurs différentes en fonction de l'algorithme. Notre nouvelle technique expérimentale permet désormais d'évaluer et d'affiner ces modèles théoriques en offrant un lien direct".
Une large application à tous les types de molécules
Pour démontrer la large applicabilité de leur méthode, les chercheurs ont examiné un ensemble varié de composés cristallins, dont le catalyseur industriel ZSM-5, les acides aminés tyrosine et histidine, l'acide tartrique du vin autrichien et l'antibiotique largement utilisé qu'est la ciprofloxacine. Pour la ciprofloxacine, qui figure sur la liste des médicaments essentiels de l'Organisation mondiale de la santé et est couramment administrée sous forme de sel de chlorhydrate, l'analyse a montré que l'ion chlorure (Cl-) ne porte qu'environ 40 % d'une charge négative complète. Cela démontre à quel point l'environnement d'une molécule peut influencer la distribution locale des charges.
Potentiel pour la conception de produits pharmaceutiques et de matériaux
Le centre d'analyse des structures cristallines de l'université de Vienne a joué un rôle clé dans les progrès de la cristallographie électronique au cours des dernières années. Avec cette dernière avancée, la technique va au-delà de la détermination des positions atomiques pour révéler expérimentalement les propriétés électroniques. La possibilité de mesurer les charges partielles ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de produits pharmaceutiques plus spécifiques et présentant moins d'effets secondaires, ainsi que de matériaux fonctionnels aux propriétés précisément adaptées.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Soheil Mahmoudi, Tim Gruene, Christian Schröder, Khalil D. Ferjaoui, Erik Fröjdh, Aldo Mozzanica, Kiyofumi Takaba, Anatoliy Volkov, Julian Maisriml, Vladimir Paunović, Jeroen A. van Bokhoven, Bernhard K. Keppler; "Experimental determination of partial charges with electron diffraction"; Nature, 2025-8-20
Autres actualités du département science
