Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Vienne a réussi à développer une nouvelle méthode pour mesurer directement les charges partielles en molécules. Les résultats, maintenant publiés dans Naturefournir de nouvelles informations sur les interactions moléculaires et offrir des applications potentielles dans le développement de médicaments et la science des matériaux.
Les forces électrostatiques – les interactions attractives ou répulsives entre les atomes ou les molécules – se trouvent au cœur de toutes les interactions moléculaires: elles sont fondamentales sur la façon dont les molécules s'assemblent, s'alignent et se réagissent. En chimie, ces forces sont décrites en termes de charges partielles: minuscules déséquilibres dans la façon dont les électrons sont distribués dans une molécule.
Ces changements subtils en charge régissent la façon dont les molécules interagissent entre elles et leur environnement. Ils sont essentiels pour comprendre la réactivité chimique, la fonction biologique et le comportement matériel. En médecine, par exemple, les charges partielles influencent la façon dont les médicaments sont absorbés, distribués et métabolisés – et peuvent façonner à la fois leurs effets thérapeutiques et leurs effets secondaires potentiels. Pourtant, malgré leur signification, les charges partielles sont restées purement théoriques: jusqu'à présent, il n'y avait aucun moyen de les mesurer directement.
Percée dans la mesure des charges moléculaires
Une équipe de recherche dirigée par Tim Grüne, responsable de l'installation de base pour l'analyse de la structure cristalline, et Christian Schröder du Département de chimie biologique informatique de l'Université de Vienne, a maintenant développé une méthode qui permet de déterminer expérimentalement les charges partielles.
Nous avons utilisé une technique appelée diffraction d'électrons. Cela implique de diriger un fine faisceau d'électrons à un petit cristal. Parce que les électrons sont chargés, ils sont sensibles au potentiel électrostatique dans le cristal et donc aux charges partielles des atomes. Les minuscules déviations qui en résultent dans le faisceau ont été enregistrées à l'aide d'une nouvelle caméra développée au Paul Scherrer Institute en Suisse. «
Tim Grüne, chef, Core Facility for Crystal Structure Analysis, Department of Computational Biological Chemistry de l'Université de Vienne
L'équipe a combiné les données de diffraction avec une nouvelle méthode d'analyse appelée modélisation des facteurs de diffusion ionique (ISFAC). Dans cette approche, chaque atome d'une molécule est modélisé simultanément comme une espèce neutre et chargée. En comparant le modèle avec les données expérimentales, les chercheurs ont pu quantifier la charge partielle de chaque atome.
« Jusqu'à présent, les charges partielles ont été estimées à l'aide de méthodes de calcul », explique Christian Schröder. « Certaines de ces charges atomiques ajustées pour reproduire le potentiel électrostatique moléculaire, résultant en des charges dite de potentiel électrostatique (charges ESP). D'autres partagent la densité électronique elle-même parmi les atomes. Bien que largement utilisés dans la modélisation moléculaire, ces méthodes peuvent produire différentes valeurs en fonction de l'algorithme. Notre nouvelle technique expérimentale fournit maintenant un moyen d'évaluer et de refuser ces modèles d'offre de la technique expérimentale.
Large applicabilité entre les types moléculaires
Pour démontrer la large applicabilité de leur méthode, les chercheurs ont examiné un ensemble diversifié de composés cristallins – y compris le catalyseur industriel ZSM-5, la tyrosine et l'histidine des acides aminés, l'acide tartrique du vin autrichien et la ciprofloxacine antibiotique largement utilisée. Pour la ciprofloxacine, qui apparaît sur la liste des médicaments essentiels de l'Organisation mondiale de la santé et est couramment administré en 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 de conception pharmaceutique et de matériaux
L'installation de base de l'analyse de la structure cristalline à l'Université de Vienne a joué un rôle clé dans la progression de la cristallographie d'électrons ces dernières années. Avec cette dernière percée, la technique va au-delà de la détermination des positions atomiques pour révéler expérimentalement les propriétés électroniques. La capacité de mesurer les charges partielles ouvre de nouvelles possibilités de conception de produits pharmaceutiques avec une spécificité plus importante et moins d'effets secondaires, ainsi que des matériaux fonctionnels avec des propriétés précisément réglées.
