Wednesday, September 20, 2017

Retos para las Simulaciones de Sistemas con Iones Metálicos

El desarrollo de modelos para el estudio de los iones metálicos está teniendo un acelerado crecimiento en la actualidad debido a la implementación de hardware con mayor poder de procesamiento, lo cual ha permitido que estudios que habría sido imposible llevar a cabo en el pasado sean viables hoy en día. A mediados del siglo pasado las simulaciones apenas conseguían modelar algo más allá del átomo de hidrógeno, mientras que actualmente es posible estudiar sistemas con cientos de átomos a partir de modelos basados en la mecánica cuántica; esto permite elucidar información a nivel atómico o electrónico que sería muy complicado obtener de forma experimental, permitiendo no sólo interpretar fenómenos químicos sino, también, proveer nuevas hipótesis.
En el ámbito del estudio de los iones metálicos, estos representan un reto mayor para el modelaje ya que sus orbitales d o f también pueden participar en enlaces químicos y cuentan con más electrones y formas complicadas; de igual forma, tienen múltiples estados de oxidación que resultan en sistemas altamente cargados que deben ser tomados en cuenta por las simulaciones. Por si fuera poco, otro reto para los modelos de metales de transición son las complicadas estructuras electrónicas de los mismos, ya que cuentan con varios estados de spin con energías cercanas, dificultando la predicción del estado basal del metal y el cálculo de las energías relativas de los distintos estados, puesto que estos pueden existir al mismo tiempo o ser degenerados. Además, los enlaces químicos de los sistemas que contienen metales de transición son más complicados que sus contrapartes orgánicas debido a su habilidad de tener entornos de coordinación flexibles o dinámicos, resultando en que sus enlaces sean caracterizados en un continuo de covalentes a iónicos, lo cual no es facilitado por el hecho de que los metales de transición puedan tener altos y flexibles números de coordinación.
Por desgracia, existen datos experimentales limitados sobre los metales de transición en comparación con los disponibles para los compuestos orgánicos, lo cual ralentiza el desarrollo de métodos de modelaje adecuados; tampoco es de ayuda que existan varias inconsistencias entre los datos experimentales y computacionales disponibles. A manera de superar todos estos retos, es imperioso el desarrollo de más estudios experimentales, nuevos softwares y mayores estudios de aplicación, puesto que esto permitiría que los métodos computacionales fueran parametrizados. No debe olvidarse, tampoco, que es importante no sólo estudiar estos sistemas con metales de transición a través de un acercamiento químico, sino que también es importante abordarlos desde perspectivas físicas; finalmente, el desarrollo de algoritmos requiere cruzar la brecha entre los modelos cuánticos y clásicos.

Referencia

Li, P., & Merz Jr, K. M. (2017). Metal ion modeling using classical mechanics. Chemical reviews, 117(3), 1564-1686.

Friday, September 15, 2017

Observación de un campo ligante trigonal plano en complejos de Sm, Tm, Yb y Eu

Los complejos del bloque f se caracterizan por tener altos números de coordinación y geometrías flexibles en las que son comunes las distorsiones, mismas que pueden ser indeseadas cuando se buscan geometrías de coordinación específicas para aplicaciones en materiales magnéticos o catalíticos. Asimismo, los compuestos con números de coordinación bajos proveen una intrigante reactividad que, para ser alcanzada con los complejos del bloque f, requiere de la utilización de ligantes estéricamente demandantes; para esto, los ligantes del tipo bis(sililamida) {N(SiMe)} (N’’) han sido empleados con frecuencia, especialmente para formar complejos del tipo [MIII(N’’)3]. Estos últimos suelen tener geometrías de pirámide trigonal en sus estados sólidos cuando M es un metal del bloque f.
Habiendo previamente reportado una vía para la síntesis de complejos bis(sililamida) del bloque f con otras geometrías interesantes, tales como complejos casi lineales del tipo [Ln(N””)2] (donde Ln es Sm, Eu, Tm o Yb, y donde N”” es {N(SiiPr3)2}) o complejos con geometrías trigonal planas del tipo [U(N**)3] (donde N** es {N(SiiBuMe2)2}), investigadores de la Universidad de Manchester y la Universidad de California han reportado este año la síntesis del primer complejo trigonal plano Tm(II) a través de la utilización del ligante N**. La síntesis fue llevada a cabo en una atmósfera de argón con exclusión rigurosa de oxígeno y en ausencia de luz para los compuestos fotosensibles; el producto fue caracterizado con RMN, FTIR, espectroscopía UV-Vis, análisis elemental, cristalografía de rayos X, espectroscopía de luminiscencia, SQUID y otras técnicas, y, además, se hicieron estudios computacionales sobre el mismo.

Los precursores utilizados en el estudio fueron divalentes para evitar la mayor cantidad de reacciones simultáneas posibles, y, además del complejo ya mencionado, el estudio reportó la síntesis de una serie de complejos aniónicos trigonales planos con alguno de los tradicionalmente divalentes metales Sm, Eu, Yb. Estos complejos mostraron geometrías casi idénticas, y presentaron propiedades tanto ópticas como magnéticas muy diferentes a las de los complejos casi lineares de lantánidos divalentes con ligantes similares, resaltando la noción de que las propiedades buscadas para un material pueden ser ajustadas mediante el control de la geometría molecular de tales sistemas. Asimismo, se demostró que el ligante N** no es lo suficientemente grande como para excluir a las moléculas de solvente de la esfera de coordinación del lantánido en cuestión.

Referencia

Goodwin, C. A., Chilton, N. F., Natrajan, L. S., Boulon, M. E., Ziller, J. W., Evans, W. J., & Mills, D. P. (2017). Investigation into the Effects of a Trigonal-Planar Ligand Field on the Electronic Properties of Lanthanide (II) Tris (silylamide) Complexes (Ln= Sm, Eu, Tm, Yb). Inorganic Chemistry56(10), 5959-5970.

Saturday, September 09, 2017

Las nanopartículas cargadas con mRNA dan propiedades de lucha contra las células


Una nueva herramienta biomédica que utiliza nanopartículas que proporcionan cambios transitorios de genes a las células objetivo podría hacer que las terapias para una variedad de enfermedades - incluyendo el cáncer, la diabetes y el VIH - sean más rápidas y baratas de desarrollar y más personalizables.
La herramienta, desarrollada por investigadores del Centro de Investigación del Cáncer Fred Hutchinson y probada en modelos preclínicos, se describe en un documento publicado el 30 de agosto en Nature Communications .
"Nuestro objetivo es agilizar la fabricación de terapias basadas en células", dijo el autor principal Dr. Matthias Stephan, un miembro de la facultad en la División de Investigación Clínica de Fred Hutch y un experto en el desarrollo de biomateriales. "En este estudio, creamos un producto en el que sólo se agrega a las células cultivadas y eso es todo - sin pasos adicionales de fabricación".
Stephan y sus colegas desarrollaron un sistema de liberación de nanopartículas para extender el potencial terapéutico del ARN mensajero, que suministra instrucciones moleculares desde el ADN a las células del cuerpo, dirigiéndolas para producir proteínas para prevenir o combatir la enfermedad.
El enfoque de los investigadores fue diseñado para cero en los tipos de células específicas - las células T del sistema inmunológico y las células madre de sangre - y entregar el mRNA directamente a las células, lo que desencadena la expresión de genes a corto plazo. Se llama "hit-and-run" programación genética porque el efecto transitorio de mRNA no cambia el ADN, pero es suficiente para hacer un impacto permanente en el potencial terapéutico de las células.
Stephan y sus colegas utilizaron tres ejemplos en el documento de Nature Communications para demostrar su tecnología:
  • Las nanopartículas llevaron una herramienta de edición de genes a las células T del sistema inmunológico que cortaron sus receptores de células T naturales y luego se aparearon con genes que codifican un "receptor de antígeno quimérico" o CAR, una molécula sintética diseñada para atacar el cáncer.
  • Dirigidas a las células madre de la sangre, las nanopartículas fueron equipadas con mRNA que permitió a las células madre para multiplicar y reemplazar las células de cáncer de sangre con células sanas cuando se utiliza en los trasplantes de médula ósea.
  • Las nanopartículas dirigidas a las células CAR-T y que contienen foxo1 mRNA, que las señales de las células T anticancerígenas para convertirse en un tipo de "memoria" de células que es más agresiva y destruye las células tumorales de manera más eficaz y mantiene la actividad antitumoral más tiempo.
Otros intentos de ingeniería de mRNA en las células de la enfermedad de lucha han sido difíciles. La molécula de mensajero grande se degrada rápidamente antes de que pueda tener un efecto, y el sistema inmunológico del cuerpo lo reconoce como extraño - no procedente del ADN en el núcleo de la célula - y lo destruye.
Stephan y sus colaboradores de Fred Hutch idearon una solución a esos obstáculos.
"Desarrollamos un nanocarrier que une y condensa el mRNA sintético y lo protege de la degradación", dijo Stephan. Los investigadores rodearon la nanopartícula con una envoltura cargada negativamente con un ligando de orientación unido a la superficie de modo que la partícula se aloje selectivamente en y se une a un tipo de célula particular.
Las células devoran el diminuto portador, que puede cargarse con diferentes tipos de mRNA humano. "Si usted sabe de la literatura científica que una vía de señalización funciona en sinergia, podría co-deliver mRNA en una sola nanopartícula", dijo Stephan. "Cada célula que ocupa la nanopartícula puede expresar ambas."
El enfoque consiste en mezclar las nanopartículas liofilizadas con agua y una muestra de células. Dentro de cuatro horas, las células comienzan a mostrar signos de que la edición ha entrado en vigor. Pueden proporcionarse refuerzos si es necesario. Hecho de un biomaterial que disuelve, las nanopartículas se quitan del cuerpo como el resto de la célula.
"Sólo agrega agua a nuestro producto liofilizado", dijo Stephan. Dado que se basa en las tecnologías existentes y no requiere conocimientos de nanotecnología, tiene la intención de que sea una manera estándar para los ingenieros de terapia celular para desarrollar nuevos enfoques para el tratamiento de una variedad de enfermedades.
El enfoque podría reemplazar la electroporación de mano de obra intensiva, una técnica de fabricación de celdas de varios pasos que requiere equipos especializados y salas limpias. Todo el manejo termina destruyendo muchas de las células, lo que limita la cantidad que se puede utilizar en los tratamientos para los pacientes.
Gentler a las células, el sistema de nanopartículas desarrollado por el equipo de Fred Hutch mostró que hasta 60 veces más células sobreviven el proceso en comparación con la electroporación. Esta es una característica crítica para asegurar suficientes células son viables cuando se transfieren a los pacientes.
"Se puede imaginar tomar las nanopartículas, inyectándolas en un paciente y luego ya no tendrás que cultivar células", dijo.
Stephan ha probado que la tecnología es células cultivadas en el laboratorio, y todavía no está disponible como tratamiento. Stephan está buscando socios comerciales para mover la tecnología hacia aplicaciones adicionales y en ensayos clínicos donde podría desarrollarse en una terapia.



Referencias

Fred Hutchinson Centro de Investigación del Cáncer. (2017, 30 de agosto). Las nanopartículas cargadas con mRNA dan propiedades de lucha contra las células: el estudio presenta un nuevo enfoque de la terapia celular que es tan simple como "añadir agua". ScienceDaily . Obtenido el 9 de septiembre de 2017 de www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170830094242.htm

Wednesday, September 06, 2017

Química de Coordinación con Nanopartículas de Oro

Las propiedades superficiales de las nanopartículas de oro han atraído considerable interés en los últimos años debido a que este tipo de nanomateriales, al contar con un gran número de los átomos que los conforman concentrados en su superficie, exhiben características como si contaran con valencias incompletas y, por tanto, cuentan con sitios externos que están disponibles para posibles interacciones con ligantes. Esto provoca que presenten características semejantes a los complejos metálicos; sin embargo, poca atención se ha dado en la actualidad a la descripción de los aspectos fundamentales de la química de coordinación involucrada en dichos nanomateriales, de manera que se carece de estudios sistemáticos que exploren las semejanzas entre las nanopartículas metálicas y los complejos metálicos. 
El estudio de dichas semejanzas podría ser de considerable interés debido a distintos factores. En primera instancia, dado que la mayoría de las aplicaciones de las nanopartículas de oro requieren de su estabilización como dispersiones coloidales, esta podría ser conseguida a través de la unión entre complejos metálicos ionicos y átomos de oro en la superficie de las nanopartículas, pudiendo controlarse de manera precisa la estabilidad de las dispersiones a través de la carga y las propiedades estéricas de estos complejos. Además, no debe olvidarse que otra característica de interés en las nanopartículas de oro son sus plasmones superficiales, formados debido a que los electrones en los átomos superficiales, bajo la influencia de radiación electromagnética, pueden moverse con facilidad a través de los orbitales vacantes. Esto sucede cuando el campo eléctrico generado por la luz cuenta con una frecuencia capaz de inducir una oscilación colectiva de estos electrones a la banda de conducción del metal, propagándose estos como una onda plasmónica de tal forma que, si se considera que los núcleos metálicos están estáticos, la oscilación de los electrones provoca una separación periódica de carga y genera dipolos oscilatorios cuya magnitud alcanza su punto máximo en la superficie de las nanopartículas. Por tanto, lo anterior puede ser aprovechado para el estudio, a través de microscopía Raman, de la asociación de complejos metálicos a la superficie de las nanopartículas de oro.
Por último, las nanopartículas de oro pueden ser explotadas para el ensamblaje de estructuras supramoleculares al anclar complejos metálicos a sus superficies. Estas estructuras pueden ser de gran interés ya que no sólo entrañan las propiedades químicas relevantes de los complejos metálicos, sino que estos también se hallan bajo la influencia del core de la nanopartícula y de sus plasmones superficiales, por lo que cuentan con nuevas características para los que se pueden hallar aplicaciones interesantes en reconocimiento molecular, transferencia energética y electrónica y catálisis. Todo lo anterior muestra el amplio panorama que yace frente al estudio de la química de coordinación involucrada en las nanopartículas de oro, y sugiere el potencial que entraña el área.

Referencia:

Toma, Henrique E., Zamarion, Vitor M., Toma, Sergio H., & Araki, Koiti. (2010). The coordination chemistry at gold nanoparticles. Journal of the Brazilian Chemical Society21(7), 1158-1176. https://dx.doi.org/10.1590/S0103-50532010000700003

Tuesday, September 05, 2017

Desarrollan materiales artificiales 
capaces de imitar estructuras 
complejas de la naturaleza

Hasta el momento era difícil controlar la uniónde varios elementos químicos dentro de este tipo de estructuras
26.07.2017
La naturaleza es capaz de crear estructuras complejas a través de
la repetición controlada de fragmentos, como ocurre en el caso del ADN.
Los sistemas biológicos complejos dependen de estas estructuras para 
desarrollar de manera plena su funcionalidad. Un equipo de 
investigadores liderado por el Consejo Superior de Investigaciones 
Científicas (CSIC) ha creado en el laboratorio materiales complejos que
contienen secuencias diferentes de elementos químicos en su estructura.
El trabajo, publicado en la revista Science Advances, abre nuevas vías 
de estudio en campos como las comunicaciones o el almacenamiento de energía.
Las propiedades físicas de los materiales como la conducción, el 
magnetismo o la actividad catalítica dependen en gran medida de los
elementos metálicos que estos contienen. También influye su distribución 
en la estructura. “Hasta ahora, era casi imposible controlar y determinar 
de qué forma se mezclaban y ordenaban los distintos elementos dentro 
de las estructuras”, apunta Felipe Gándara, investigador del CSIC en el 
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. Sin embargo, este 
grupo de científicos lo ha conseguido a escala atómica y nanoescala 
utilizando unos materiales conocidos como redes metal-orgánicas, que 
permiten incluir de manera controlada múltiples elementos metálicos.
Las redes metal-orgánicas han recibido gran atención en los últimos 
años por sus aplicaciones en campos coo el almacenamiento de gases, 
por ejemplo, debido a los altos niveles de porosidad que poseen. 
Además, tienen estructuras ordenadas. En este caso, los 
investigadores han seleccionado un tipo de redes metal-orgánicas 
con una estructura que hace que los elementos metálicos se 
dispongan formando hélices, para incorporar múltiples elementos metálicos.
“Hemos seleccionado diversos metales para que ocupen posiciones
específicas dentro de las hélices. El resultado son diferentes 
secuencias que se repiten a lo largo de la estructura de la red 
metal-orgánica”, explica Gándara. Para determinar la distribución 
exacta de los elementos metálicos se han combinado técnicas de 
difracción de rayos X y de neutrones, y técnicas de microscopía 
electrónica y microanálisis.
Desarrollar materiales artificiales que posean una complejidad que 
se asemeje a los sistemas naturales abre nuevas vías para la 
mejora de las propiedades en aplicaciones en múltiples campos.
Además, el alto control de las estructuras permite estudiar la relación 
entre la estructura y las propiedades de los materiales, permitiendo 
el diseño de nuevos materiales avanzados.

Retos para las Simulaciones de Sistemas con Iones Metálicos

El desarrollo de modelos para el estudio de los iones metálicos está teniendo un acelerado crecimiento en la actualidad debido a la impleme...