Espectroscopia e imágenes por resonancia magnética nuclear.
Josef Dadok (derecha) y sus colegas del Instituto de Instrumentos Científicos de la antigua Checoslovaquia analizan datos de resonancia magnética nuclear en esta fotografía de los años 60.
Crédito: Instituto de Instrumentos Científicos
Algunos de los métodos analíticos desarrollados en la práctica de la química y la medicina son la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) y su rama de imágenes, la resonancia magnética (IRM). Estas técnicas, que se basan en interacciones entre núcleos atómicos y campos magnéticos, proporcionan a los investigadores herramientas esenciales para determinar la estructura de las moléculas en sólidos, líquidos y gases y para obtener imágenes de los detalles más finos de los tejidos y órganos internos. Los primeros instrumentos comerciales de RMN permitieron a los químicos analizar moléculas orgánicas relativamente pequeñas en la década de 1950, pero el tamaño y la complejidad molecular de los compuestos analizados e identificados mediante métodos de RMN aumentaron rápidamente. Hoy en día, los investigadores utilizan habitualmente estas herramientas para estudiar el ARN, el ADN, otros tipos de macromoléculas y grandes complejos inorgánicos. Y dependen de métodos basados en RMN para seguir avanzando en la biología estructural, la medicina y la ciencia de los materiales.
Cristalografía de rayos X
La estructura de esta enzima P450, producida por una bacteria termófila, fue determinada por investigadores de la Universidad de Hubei mediante cristalografía de rayos X.
Crédito: Rei-Ting Guo/Chun-Chi Chen
A principios del siglo XX, los científicos descubrieron que al irradiar un cristal con un haz de rayos X, el haz se dispersaba en varias direcciones bien definidas. Los físicos William Henry Bragg y William Lawrence Bragg, padre e hijo, trabajaron en una teoría matemática que podía predecir la estructura atómica de los cristales. Su trabajo, por el que ganaron el Premio Nobel de Física en 1915, sigue siendo la base de la cristalografía de rayos X moderna. En los últimos años, los investigadores han utilizado la técnica para determinar la geometría 3D de estructuras biológicas complejas, como la enzima P450, que desempeña un papel central en el metabolismo celular de los fármacos.
Espectrometría de masas
Fred McCalfferty (atrás) y Roland Gohlke trabajan en un espectrómetro de masas en Dow Chemical alrededor de 1960.
Crédito: Dow Chemical
La masa de un átomo, molécula o partícula microscópica es una de sus propiedades fundamentales y se ha utilizado durante mucho tiempo para identificar o confirmar la presencia de estas especies. Los primeros trabajos para detectar la masa atómica fueron realizados en la década de 1910 por el físico británico JJ Thomson y su asistente Francis William Aston, quienes desarrollaron instrumentos que utilizaban campos eléctricos y magnéticos para dispersar el flujo de iones. Su trabajo condujo al descubrimiento de isótopos atómicos. En las décadas siguientes, los investigadores realizaron una serie de innovaciones, aumentando en gran medida la resolución de masas y la sensibilidad de detección de estos instrumentos, ampliando sus capacidades de ionización y entrada de muestras, y ampliando la gama de aplicaciones que se utilizan. Algunos de los espectrómetros de masas actuales se utilizan para mediciones de masa de una sola célula y de una sola molécula, capacidades que podrían hacer avanzar la biología y la medicina.
cromatografía
La red de bombeo es el núcleo de los modernos instrumentos de cromatografía líquida de alto rendimiento.
Crédito: Mark Resch/C&N
Mezclar productos químicos es relativamente fácil. Separarlos es un desafío que hace mucho tiempo llevó a los científicos a desarrollar métodos cromatográficos para separar los componentes de las mezclas químicas. Los investigadores utilizan estos métodos, por ejemplo, para identificar sustancias desconocidas, evaluar la pureza de compuestos valiosos y evaluar la elección de métodos analíticos. Algunos de los primeros trabajos se centraron en la separación y purificación de compuestos naturales de pigmentos vegetales aprovechando las diferencias en la fuerza con la que las moléculas componentes se unen a las partículas en una columna de separación. Cien años de innovación trajeron sólo cambios menores en los principios básicos de separación, pero cambios extraordinarios en las herramientas. Hacia 1950, los métodos completamente manuales dieron paso a potentes sistemas de cromatografía de gases, una técnica para separar compuestos volátiles. La cromatografía líquida de alto rendimiento, popularizada en la década de 1970, finalmente proporcionó métodos para separar y analizar una gama mucho más amplia de compuestos, incluidos agentes farmacéuticos quirales.
Microscopía e imágenes moleculares
Con la ayuda de los recientes avances en microscopía electrónica, los investigadores han descifrado la estructura del complejo precursor humano.
Crédito: Yuan He/ciencia
Durante cientos de años, las personas curiosas por la naturaleza utilizaron lupas para revelar estructuras que podían verse a simple vista. Durante el siglo pasado, los científicos han desarrollado fundamentalmente estas habilidades, diseñando herramientas que ofrecen vistas sin precedentes de los átomos y las moléculas. El microscopio de iones de campo y el microscopio electrónico de transmisión, respectivamente, en 1955 y 1970, produjeron imágenes en las que cada punto correspondía a un solo átomo en una muestra de metal. El microscopio de sonda de barrido, que surgió en la década de 1980, permitió a los investigadores no sólo obtener imágenes de átomos, sino también crearlos simultáneamente y ensamblar y estudiar nanoestructuras. Los científicos están constantemente innovando y desarrollando métodos para obtener imágenes de estructuras moleculares cada vez más complejas, como el complejo precursor humano, que se muestra aquí. Esta máquina celular copia genes y contiene las claves para curar muchas enfermedades.
Difracción ultrarrápida para rastrear la dinámica molecular
Cuando el 1,3-ciclohexadieno absorbe luz ultravioleta, se excita inmediatamente. Un pulso de luz desencadena el primer paso de una reacción química, provocando que el orbital en estado fundamental (izquierda) se excite. ¿Cuánto dura el instante? Sólo 30 fs.
Crédito: Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC
La formación y ruptura de enlaces químicos son los pasos básicos de una reacción química. Pero como estos movimientos erráticos de electrones y núcleos suelen ocurrir en unos pocos femtosegundos (o millonésimas de milmillonésima de segundo), rastrearlos no tiene sentido. Sin embargo, en la última década, los investigadores han desarrollado métodos para registrar imágenes stop-action de estos rápidos movimientos de danza molecular. Estos métodos utilizan láseres de electrones libres de rayos X para la difracción ultrarrápida de rayos X y cámaras de electrones para la difracción ultrarrápida de electrones. Los científicos pueden combinar estas imágenes para crear películas animadas de reacciones químicas. Estas películas muestran los pasos básicos que guían a un reactor para formar uno o más productos.
