La cristalografía electrónica podría ser una poderosa herramienta para los químicos orgánicos

Cuando los químicos quieren determinar la estructura de una molécula, normalmente emplean la cristalografía de rayos X. Pero a menudo se encuentran con que no pueden hacer crecer cristales lo suficientemente grandes o con la calidad que este método necesita. Ahora, una técnica similar, conocida como cristalografía electrónica y que funciona con cristales más pequeños, se postula como alternativa. Dos equipos han mostrado, de forma independiente, que este método permite determinar de forma rápida la estructura de pequeños compuestos orgánicos, otorgando a los químicos orgánicos la capacidad de analizar una cantidad de moléculas pequeñas mayor que la que se puede resolver con cristalografía de rayos X.

La cristalografía electrónica es similar a la de rayos X, con la diferencia de que los científicos estudian la figura de difracción que causan los electrones disparados contra un cristal, en vez de la formada por rayos X. Los electrones interactúan con mayor intensidad con las moléculas en los cristales, por lo que los investigadores tienen que usar cantidades más pequeñas del material — y cristales de tamaños tan pequeños como 100 nm. Los cristales estudiados con rayos X normalmente necesitan medir al menos 5 µm en todas las direcciones.

Los científicos no han usado la cristalografía electrónica para estudiar moléculas orgánicas de forma regular, dado que el haz de electrones tiende a destruir el cristal antes de que se puedan recoger datos suficientes. Pero, en los últimos años, los investigadores han conseguido modificar la técnica para que pueda emplearse en el estudio de biomoléculas delicadas como las proteínas. Para ello, enfrían las muestras a temperaturas criogénicas y emplean un haz de electrones atenuado.

Los dos grupos descubrieron que podían aplicar modificaciones similares para analizar pequeños cristales de compuestos orgánicos. Tim Gruene, un investigador del Instituto Paul Scherrer, lideró la investigación en Europa (Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201811318). El equipo residente en Estados Unidos fue dirigido por José A. Rodríguez, Hosea M. Nelson y Tamir Gonen de la Universidad de California en Los Ángeles, junto con Brian M. Stoltz del Instituto Tecnológico de California (ChemRxiv 2018, DOI: 10.26434/chemrxiv.7215332.v1, pendiente de publicación en ACS Cent. Sci.).

Emplear técnicas modificadas de cristalografía electrónica para estudiar moléculas orgánicas no es nuevo, tal y como indican tanto Gruene como Gonen. Ambos investigadores ya habían publicado resultados anteriores empleando estos métodos en revistas de biología molecular y cristalografía. Pero estos estudios pasaron desapercibidos para la gran mayoría de la comunidad química.

En estos nuevos artículos, ambos equipos destacan el valor que tiene la técnica para los químicos orgánicos. Demuestran cómo pueden abrir una cápsula o moler una pastilla de un medicamento comercial, como el analgésico paracetamol, y emplear la técnica para determinar la estructura del ingrediente farmacéutico activo. También emplean la cristalografía electrónica a compuestos orgánicos mayores, como un derivado del azul de metileno, en el caso del grupo europeo, y al antibiótico thiostrepton, en el caso del grupo estadounidense. Un análisis rápido de ciertos polvos puede hacerse en 20 minutos, indica Nelson, un tiempo similar al que necesitan los experimentos sencillos de cristalografía por rayos X.

“Es increíble ver cómo se toma una muestra directamente de una cápsula de medicamento contra el resfriado y la gripe, y se logra analizar el polvo heterogéneo con resolución atómica”, dice Tom Maimone, un químico orgánico de la Universidad de California en Berkeley. “Incluso si esta técnica funciona solo con un subconjunto de pequeñas moléculas orgánicas, lo que se muestra en estos artículos es maravilloso”.

La técnica tiene sus limitaciones. Si bien el análisis sólo requiere una pequeña cantidad de material, el material ha de ser cristalino. Y por el momento, el método sólo puede determinar la estereoquímica relativa de una molécula, no la absoluta.

De cualquier forma, los investigadores esperan que esta técnica se popularice entre los químicos orgánicos y otros investigadores interesados en moléculas pequeñas, siempre que puedan acceder a la instrumentación necesaria. Nelson indica que UCLA solo cuenta con un microscopio crioelectrónico para llevar a cabo la cristalografía electrónica, y lo utilizan casi únicamente los biólogos. Gruene dice que su instrumento es en realidad un prototipo, con un detector sofisticado conectado a un microscopio electrónico. Ambos tienen la esperanza de que, mostrando lo que esta técnica es capaz de hacer, los fabricantes de instrumentación diseñen microscopios electrónicos teniendo a los químicos orgánicos en mente.

Artículo traducido al español por Juan José Sáenz de la Torre Lasierra para C&EN. La versión original (en inglés) está disponible aquí.