Nuevo modelo para ayudar a interpretar imágenes moleculares con resolución atómica

28 de marzo de 2022

(Noticias de NanwerkHay múltiples formas de crear modelos 2D y 3D de átomos y moléculas. Con la llegada de los últimos dispositivos que pueden obtener imágenes de muestras a escala atómica, los científicos han descubierto que los modelos moleculares tradicionales no se ajustan a las imágenes que vieron.

Los investigadores han ideado una mejor forma de visualizar moléculas basándose en estos métodos tradicionales. Sus modelos se ajustan bien a los datos de imágenes que obtuvieron, y esperan que los modelos ayuden a la intuición de los químicos a interpretar las imágenes moleculares. La tabla periódica familiar de los elementos con cada tipo de átomo aparece como bolas de colores. El tamaño de cada átomo en el modelo CPK (arriba) es mayor que el del modelo Z-linked (abajo), porque depende de la distribución de electrones alrededor del átomo más que del tamaño del núcleo mismo. Esto es importante en un microscopio electrónico donde la nube de electrones no es visible. (Foto: Nakamura, Harano et al.)

Los resultados han sido publicados en Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América («Número atómico (Z): tamaños atómicos asociados para decodificar imágenes moleculares microscópicas electrónicas»).

Cualquiera que lea esto probablemente esté familiarizado con los modelos tradicionales de átomos y moléculas de bolas y palos, donde las bolas de diferentes tamaños y colores representan diferentes núcleos atómicos, y los palos representan las propiedades de los enlaces entre los átomos. Si bien estas son herramientas educativas útiles, son mucho más simples que la realidad que reflejan.

Los químicos tienden a usar modelos como el modelo Curie-Bowling-Colton (CPK), que es similar al modelo de bola y palo pero con las bolas infladas para que se superpongan. El modelo CPK les dice a los químicos más sobre la forma en que los componentes de la molécula interactúan mucho mejor que el modelo de bola y palo.

En los últimos años, finalmente se ha hecho posible no solo capturar las estructuras de las moléculas sino incluso registrar su movimiento e interacciones en videos gracias a técnicas como la microscopía electrónica de transmisión de resolución atómica (AR-TEM). Esto a veces se llama «ciencia molecular cinematográfica».

Sin embargo, con este salto en nuestra capacidad de visualizar lo invisible, los modelos de bola y palo o CPK se convierten en un obstáculo en lugar de una ayuda. Cuando los investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Tokio intentaron encajar estos modelos en las imágenes que estaban viendo, se encontraron con algunos problemas.

El profesor Koji Harano dijo: «El modelo de bola y palo es demasiado simple para describir con precisión lo que realmente sucede en nuestras imágenes». Y el modelo CPK, que técnicamente muestra la propagación de una nube de electrones alrededor del núcleo de un átomo, es demasiado denso para discernir algunos detalles. La razón es que ninguno de estos modelos muestra los tamaños reales de los átomos que muestran las imágenes de AR-TEM».

En las imágenes de AR-TEM, el tamaño de cada átomo está directamente relacionado con el peso atómico de ese átomo, conocido simplemente como Z. Entonces, el profesor Ichi Nakamura y su equipo optaron por modificar el modelo de bola y palo para que se ajustara a sus imágenes. en el que se ubica cada núcleo en el modelo, se determinó el tamaño del modelo de acuerdo al número Z del núcleo que representaba, y se le denominó modelo molecular Z-linked (ZC). Mantuvieron el mismo esquema de color utilizado en el modelo CPK, que fue presentado originalmente por los químicos estadounidenses Robert Curie y Linus Pauling en 1952.

Comparación de modelos. El modelo molecular ligado a Z de los investigadores se comparó con los modelos de bola y palo y CPK. (Foto: Nakamura, Harano et al.)

“Una imagen vale más que mil palabras, y puedes comparar las imágenes de AR-TEM con la primera imagen de un agujero negro”, dijo Nakamura. «Ambos muestran la realidad como nunca antes, y ambos son mucho menos claros de lo que la gente probablemente debería imaginar. Es por eso que los modelos son tan importantes, para cerrar la brecha entre la fantasía y la realidad. Con suerte, el modelo molecular ligado a Z ayudará a los químicos a analizar el microscopio electrónico. imágenes Basado en la intuición sin necesidad de ningún cálculo teórico, abriendo un nuevo mundo de «ciencia molecular cinematográfica».