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Apr 07, 2023

Equipe de pesquisa de Illinois acelera técnicas de imagem para capturar estruturas de moléculas pequenas

Escrito por Emily Jankauski URBANA, Illinois — Universidade de Illinois

Escrito por Emily Jankauski

URBANA, Illinois — Um esforço de pesquisa da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, liderado por Pinshane Huang, está acelerando as técnicas de imagem para visualizar estruturas de pequenas moléculas com clareza — um processo antes considerado impossível. Sua descoberta libera um potencial infinito para melhorar as aplicações da vida cotidiana - de plásticos a produtos farmacêuticos.

O professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais se uniu aos co-autores Blanka Janicek, ex-aluna e pós-doutoranda do Lawrence Berkeley National Laboratory em Berkeley, Califórnia, e Priti Kharel, estudante de pós-graduação do Departamento de Química, para provar a metodologia que permite aos pesquisadores visualizar pequenas estruturas moleculares e acelerar as técnicas de imagem atuais.

Co-autores adicionais incluem o estudante de graduação Sang hyun Bae e os graduandos Patrick Carmichael e Amanda Loutris. Sua pesquisa revisada por pares foi publicada recentemente na Nano Letters.

Os esforços da equipe expõem a estrutura atômica da molécula, permitindo aos pesquisadores entender como ela reage, aprender seus processos químicos e ver como sintetizar seus compostos químicos.

"A estrutura de uma molécula é tão fundamental para sua função", disse Huang. "O que fizemos em nosso trabalho foi tornar possível ver essa estrutura diretamente."

A capacidade de ver a estrutura de uma pequena molécula é vital. Kharel compartilha o quão vital é dar o exemplo de um medicamento conhecido como talidomida.

Descoberto nos anos 60, a talidomida foi prescrita para mulheres grávidas para tratar o enjôo matinal e mais tarde foi descoberto que causava graves defeitos congênitos ou, em alguns casos, até a morte.

O que deu errado? A droga tinha estruturas moleculares mistas, uma responsável por tratar o enjôo matinal e a outra infelizmente causando efeitos adversos devastadores ao feto.

A necessidade de uma ciência proativa, não reativa, estimulou Huang e seus alunos a prosseguir com esse esforço de pesquisa que originalmente começou com pura curiosidade.

"É tão crucial determinar com precisão as estruturas dessas moléculas", disse Kharel.

Normalmente, as estruturas moleculares são determinadas com técnicas indiretas, uma abordagem demorada e difícil que usa ressonância magnética nuclear ou difração de raios-X. Pior ainda, métodos indiretos podem produzir estruturas incorretas que dão aos cientistas uma compreensão errada da composição de uma molécula por décadas. A ambigüidade em torno das estruturas de pequenas moléculas pode ser eliminada usando métodos de imagem direta.

Na última década, Huang viu avanços significativos na tecnologia de microscopia eletrônica criogênica, onde os biólogos congelam as grandes moléculas para capturar imagens de alta qualidade de suas estruturas.

"A pergunta que eu tinha era: o que os impede de fazer a mesma coisa com moléculas pequenas?" Huang disse. "Se pudéssemos fazer isso, você poderia ser capaz de resolver a estrutura (e) descobrir como sintetizar um composto natural que uma planta ou animal produz. Isso pode se tornar muito importante, como um grande combatente de doenças", disse. Huang disse.

O desafio é que as moléculas pequenas costumam ser 100 ou até 1.000 vezes menores que as moléculas grandes, dificultando a detecção de suas estruturas.

Determinados, os alunos de Huang começaram a usar a metodologia existente de grandes moléculas como ponto de partida para o desenvolvimento de técnicas de imagem para fazer as estruturas das pequenas moléculas aparecerem.

Ao contrário de moléculas grandes, os sinais de imagem de moléculas pequenas são facilmente sobrecarregados por seus arredores. Em vez de usar gelo, que normalmente serve como uma camada de proteção contra o ambiente hostil do microscópio eletrônico, a equipe elaborou outro plano para manter intactas as estruturas das pequenas moléculas.

Como você pode temperar o ambiente de uma molécula? Usando grafeno.

O grafeno, uma única camada de átomos de carbono que forma uma estrutura hexagonal em forma de favo de mel, dissipa reações prejudiciais durante a geração de imagens.

Estabilizar o ambiente da pequena molécula foi apenas uma questão que os pesquisadores de Illinois tiveram que administrar. A equipe também teve que limitar o uso de elétrons, tão baixo quanto um milionésimo do número de eleições normalmente usado, para iluminar as moléculas.