Misurare il modo in cui le molecole comunicano
Un nuovo metodo consente di misurare direttamente le cariche parziali nelle molecole
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Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall'Università di Vienna è riuscito a sviluppare un nuovo metodo per misurare direttamente le cariche parziali nelle molecole. I risultati, ora pubblicati su Nature, forniscono nuove conoscenze sulle interazioni molecolari e offrono potenziali applicazioni nello sviluppo di farmaci e nella scienza dei materiali.
La cristallografia elettronica permette di conoscere la disposizione atomica dei composti chimici. Utilizzando la modellazione iSFAC, si è scoperto che lo ione cloruro della ciprofloxacina ha una carica parziale di -0,4 invece di una carica completa di -1, che influisce sul modo in cui il farmaco interagisce nei sistemi biologici.
C: Gruene/Schroeder
Le forze elettrostatiche - le interazioni attrattive o repulsive tra atomi o molecole - sono alla base di tutte le interazioni molecolari: Sono fondamentali per il modo in cui le molecole si assemblano, si allineano e rispondono le une alle altre. In chimica, queste forze sono descritte in termini di cariche parziali: piccoli squilibri nella distribuzione degli elettroni all'interno di una molecola. Questi sottili spostamenti di carica regolano il modo in cui le molecole interagiscono tra loro e con l'ambiente circostante. Sono fondamentali per comprendere la reattività chimica, la funzione biologica e il comportamento dei materiali. In medicina, ad esempio, le cariche parziali influenzano il modo in cui i farmaci vengono assorbiti, distribuiti e metabolizzati e possono determinare sia i loro effetti terapeutici sia i potenziali effetti collaterali. Tuttavia, nonostante la loro importanza, le cariche parziali sono rimaste puramente teoriche: finora non c'era modo di misurarle direttamente.
Una svolta nella misurazione delle cariche molecolari
Un gruppo di ricerca guidato da Tim Grüne, responsabile della Core Facility for Crystal Structure Analysis, e da Christian Schröder del Dipartimento di Chimica Biologica Computazionale dell'Università di Vienna, ha ora sviluppato un metodo che consente di determinare sperimentalmente le cariche parziali. "Abbiamo utilizzato una tecnica chiamata diffrazione di elettroni", spiega Grüne. "Si tratta di dirigere un sottile fascio di elettroni su un piccolo cristallo. Poiché gli elettroni sono carichi, sono sensibili al potenziale elettrostatico all'interno del cristallo e quindi alle cariche parziali degli atomi. Le minuscole deviazioni del fascio che ne derivano sono state registrate con una nuova telecamera sviluppata presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera".
Il team ha combinato i dati di diffrazione con un nuovo metodo di analisi chiamato ionic scattering factor modelling (iSFAC). In questo approccio, ogni atomo di una molecola viene modellato contemporaneamente come specie neutra e carica. Confrontando il modello con i dati sperimentali, i ricercatori hanno potuto quantificare la carica parziale di ciascun atomo.
"Finora le cariche parziali venivano stimate con metodi computazionali", spiega Christian Schröder. "Alcuni di questi adattano le cariche atomiche per riprodurre il potenziale elettrostatico molecolare, ottenendo le cosiddette cariche derivate dal potenziale elettrostatico (cariche ESP). Altri suddividono la densità elettronica stessa tra gli atomi. Pur essendo ampiamente utilizzati nella modellazione molecolare, questi metodi possono produrre valori diversi a seconda dell'algoritmo. La nostra nuova tecnica sperimentale fornisce ora un mezzo per valutare e perfezionare questi modelli teorici, offrendo un collegamento diretto".
Ampia applicabilità a tutti i tipi di molecole
Per dimostrare l'ampia applicabilità del metodo, i ricercatori hanno esaminato una serie di composti cristallini diversi, tra cui il catalizzatore industriale ZSM-5, gli aminoacidi tirosina e istidina, l'acido tartarico del vino austriaco e l'antibiotico Ciprofloxacina, ampiamente utilizzato. Per la ciprofloxacina, che figura nell'elenco dei farmaci essenziali dell'Organizzazione Mondiale della Sanità e viene comunemente somministrata come sale cloridrico, l'analisi ha mostrato che lo ione cloruro (Cl-) trasporta solo circa il 40% di una carica negativa completa. Questo dimostra quanto fortemente l'ambiente di una molecola possa influenzare la distribuzione locale della carica.
Potenziale per la progettazione di prodotti farmaceutici e materiali
La Core Facility for Crystal Structure Analysis dell'Università di Vienna ha svolto un ruolo fondamentale nel far progredire la cristallografia elettronica negli ultimi anni. Con quest'ultima scoperta, la tecnica va oltre la determinazione delle posizioni atomiche e rivela sperimentalmente le proprietà elettroniche. La capacità di misurare le cariche parziali apre nuove possibilità per la progettazione di prodotti farmaceutici con maggiore specificità e minori effetti collaterali, nonché di materiali funzionali con proprietà precisamente sintonizzate.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione 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
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