CT parameters evaluated by KS and MD approachs

Se han dedicado muchos esfuerzos al estudio de sistemas químicos, biológicos, etc mediante el método computacional DFT (ver Sevilla M., et al., Schaefer III et al ). Los sistemas biológicos son dificiles de estudiar mediante métodos computacionales high-level, aunque los resultados son utilizados como referencia para evaluar funcionales de DFT y otros métodos. Una desventaja de los métodos high-level son el coste computacional, y no se recomiendan para sistemas grandes. Aunque un estudio reciente, basado en el método multireferencial CASPT2 y CASSCF, ha permitido obtener datos de referencia para la tranferencia de carga entre nucleobases del DNA ( Voityuk, AA and Blancafort L. J. Chem. Phys. B, 2006), tanto para HT como para EET.

 

Fig 1. Complejo DNA-proteína. Se ha desarrollado el mapa electroestático de las interacciones entre DNA y proteína.

Por el contrario, el método DFT permite el estudio de sistemas más grandes, y es más factible computacionalmente. El inconveniente mayor es que siempre se a de evaluar los funcionales de intercambio con métodos computacionales más sofisticados o con datos experimentales. La inclusión de la correlación dinámica por un tiempo computacional de HF, hace que sea un método cercano. Recientemente, Schaefer III et al. ha demostrado que para sistemas contituídos por dímeros de Timina y Uracil, el funcional M06-2x preveé resultados muy ajustados en comparación con CCSD(T) para las interacciones energéticas entre los dímeros (Stacking interactions). Los parametros de stacking evaluados por medio de DFT se han de estudiar con rigurosidad, ya que el funcional de exchange en muchos casos no se correlaciona con el sistema.   

Las interacciones PI-PI son de gran interés para la transferencia de carga entre bases nitrogenadas del DNA (ver Jortner et al, Voityuk et al., Lewis et al., Ratner et al.) Los estudios de los parámetros de la transferéncia de carga han sido evaluados por medio de múltiples métodos: semiempíricos ( Voityuk et al., Thiel W. et al.), ab initio (Sevilla et al., Schaefer III et al, Wasilievski et al). Además, se han evaluado por medio de MD, basándose en interacciones simuladas entre un agente presente en el medio y el DNA, respectivamente. Por ejemplo, Voityuk et al ha deducido los cambios del acoplamiento electrónico (electronic coupling) entre dímeros y trímeros de bases nitrogenadas de DNA, deduciéndose de sus estudios el efecto del solvente en los parámetros de CT. La simulación por MD se realiza en fs o ns, ya que los fenómenos de HT y EET entre fragmentos de DNA se producen en estos tiempos (Barton et al).

Fig 2. DNA penetrando en una membrana, simulación por medio de MD.

Los estudios posteriores del Dr Voityuk, se enmarcaran en estudiar el EET por medio de MD. Hasta el momento, no ha sido posible evaluar los parámetros de EET por medio de MD. Los estudios anteriores nos permitieron obtener que el funcional SVWN (LDA), proporciona resultados muy ajustados para la diferencia de energías entre orbitales moleculares “virtuales” en comparación con el método CASPT2. Este fenómeno ha sido evaluado por Head Gordon et al. en un notable Review (Head Gordon, M Chem. Rev.. 2005,105, 4009), pero no para la transferencia de carga ya que se considera que el DFT no proporciona resultados razonables.   

Las aplicaciones de los estudios del DNA, complejos DNA-proteínas y sistemas biológicos en general son numerosos. Las estimaciones de estos complejos permitirán avanzar en la prevensión y posible cura de enfermedades genéticas, entre otros tipos. La nanotecnología, biotenología, diseño de biosensores se veran beneficiados. Pero queda un tiempo más de estudios, simulaciones, tiempo para poder entenderls, en general.       

     

Biochemical mechanism estimated by TD DFT scheme

       Los mecanismos biológicos han sido muy estudiados, y se han dedicado muchos esfuerzos a entenderlos mediante estudios experimentales y teóricos. La complejidad esta asegurada cuando se tratan los sistemas biológicos, y la predicción de propiedades para la aplicación en múltiples campos es de gran interés. Actualmente, los estudios estan dirigidos a la aplicación en nanotecnología, biomedicina, sintesis más controladas de productos farmacéuticos, etc. Los estudios teóricos, mediante simulaciones o cálculos computacionales, han permitido la comprensión y la interpretación del comportamiento de estos sistemas.

 

Figura 1. Complejo de RNA y proteínas.

      El DNA ha sido muy estudiado desde su descubrimiento por Watson, Crick,  y los anteriores estudios de Franklin. Los estudios realizados por Barton et al. han originado que el DNA sea considerado como un conductor por medio de Hole transfer (ver anteriores post). Las posteriores investigaciones teóricas como experimentales permitieron que se comprendiera mejor las propiedades del DNA (ver Jortner et al.). Los estudios computacionales prosiguen, y se obtenienen nuevos datos valuosos sobre el HT y el EET. 

Figura 2. Hopping de la carga en el DNA. Se considero para su estudio la bases Guanina y Adenina, y se examinó el HT. 

      La teoría del funcional de la densidad es compleja, y fue descrita por vez primera por Hohenberg y Kohn. Se basa en describir el sistema por medio de la densidad de cada electrón, hay dos teoremas que sostentan la teoría (HK(I) y HK(II)). La teoría es matemáticamente exacta pero la forma del funcional de repulsión no se conoce. La solución es aproximar el potencial por medio de funcionales, que son un ajuste al funcional exacto (ver Szabo et al). Últimamente, se han hecho muchos ajustes a la teoría por medio de funcionales ( LDA, GGA, MGGA, Hybrid) que se ajustan correctamente a las propiedades moleculares (ver Scuseria et al, Truhlar et al). Una ventaja muy considerable de la DFT es que integra la correlación dinámica por un coste computacional del método HF. En cambio, la teoría del del funcional de la densidad es compleja como la anterior, y se adiciona un término pertubacional al operador de Hamilton del sistema. Este término es dependiente del tiempo de actuación sobre el sistema, puede ser un campo eléctrico. Ahora el operador, las funciones y los eigenvalores del sistema dependen del tiempo de actuación de la perturbación, respectivamente. Se ha demostrado que la TD DFT no proporciona resultados coherentes para la transferencia de carga (ver Head-Gordon M. et al., Chem. Rev., 2005, 105, 4009). Ésta deficiencia es debida a la flata de correción a distancia largas para el factor 1/r. Se han dedicado muchos esfuerzos para paliar esta falta de descripción ajustada al sistema. Recientemente, Head-Gordon et al han demostrado que la Td DFT con el funcional hibrido (BH&HLYP) proporciona resultados muy precisos en comparación con cálculos high level  (CASPT2, MS-PT2, CISDT, CC) para sistemas que en sus extremos tengan cargas opuestas. La justificación propuesta es: la contribución de HF al funcional permite obtener estos resultados, debido a la atracción electroestática entre las cargas. Recientemente, se ha encontrado por Voityk et al. que la TD DFT no solamente proporciona resultados precisos para el sistema propuestos por Head-Gordon, sino que para sistemas aniónicos haciendo uso de funcionales hibridos.

Figura 3. Orbitales moleculares obtenidos por medio de TDDFT.

      La TD DFT es aplicable haciendo uso de funcionales hibridos a sistemas largos. De sus cálculos es posible obtener energías excitación, momentos dipolares de transición, etc. En cambio, su uso es limitado debido a su coste computacional. De aquí en adelante, los sistemas apropiados para la transferencia de carga pueden ser descritos por medio de TD DFT.  

 

Gap and Splitting Energy

Ambas magnitides son esenciales para estimar la eficiencia del proceso de transferencia de carga entre dos o mas fragmentos. A partir de ellos, otros parámetros del CT (por ejemlo, Electronic Coupling) son predecidos por medio de la teoría (GMH approach), respectivamente. En particular, Gap energy se refiere a la energía obtenida cuando hay una compensación de la interacción electroestática entre los dos fragmentos, es decir cuando tenemos simetría. Un caso particular sería cuando son iguales los fragmentos, la fuerza electroestática de cada fragmento es igual. Por el contrario, Splitting energy es la energía obtenida cuando no hay una compensación entre la interacción electroestática de los fragmentos, es decir, cuando no hay simetría.

Figura 1. Valence, Gap, Conduction Band or energy. 

Gap y Splitting energy  son obtenidas por medio de la diferencia de energías entre los orbitales moleculares en cuestión. La función del sistema varía para cada caso. Por ejemplo, si estudiamos un sistema constituído por dos nucleobases por medio de Hole transfer, consideraremos la diferencia entre los orbitales moleculares HOMO y HOMO-1. En el caso de GT, la energia de Gap no predice ni interpreta el sistema correctamente, debido a que el sistema no es simétrico y no hay una compensación entre fuerzas electroestáticas. En este caso, consideraremos Splitting energy que proporciona un mayor sentido físico a los parametros del CT. Por contra, el sistema GG es simétrico, y la desviación de la energía de Gap en comparación con la Splitting Energy es muy baja. Aunque, se considera la energía de Splitting.

Figura 2. Hole transfer hopping entre pares GC.

En general, la diferencia energética entre los orbitales moleculares cuanto más pequeña, mayor  será la probabilidad de transición de la carga. Aún no está del todo claro (aunque se han hecho muchos esfuerzos): dónde estará localizada la carga cuando nuestros sistemas esta constituído por multiples fragmentos. Estos casos están favorecidos por un Gap muy pequeño, y son estudiados por medio de Mulliken Charges.  Aunque de los estudios realizados, se ha podido extraer que: cuando estudiamos el sistema por medio de HT, la carga se localizará en aquel fragmento que tenga un potencial de ionización bajo (por lo general, la Guanina); en cambio, cuando lo estudiamos por medio de EET, la carga tendirá a localizarse en el fragmento con una afinidad electrónica mayor (por lo general, la Timina y la Citosina). En todo caso, es muy complejo y difícil de predecir a priori.

Los parametros energéticos son primordiales para estudiar, predecir el proceso complejo del charge transfer. Los sistemas biológicos son tan complejos que nos llevará mucho tiempo entenderlos. Las futuras aplicaciones son inimaginables, y totalmente necesarias para todo ámbito del ser humano.    

 

 

Excess Electron and Hole Tranfer

Ambos conceptos son aplicados a compuestos con propiedades particulares para transferir carga electrónica por su estructura o por una cadena polimérica. Los primeros estudios realizados fueron de compuestos inorgánicos con propieades para la tranferencia de carga, en su mayoría cristales. Las propiedades y características de las moléculas son capitales para ser aplicados, ya que el proceso de transferencia ha de ser favorable en cada tramo de las cadena. Por ejemplo, el estudio de polienos con sistemas PI favorece el proceso de tranferencia de la carga. Los orbitales con simetría PI son primordiales, ya que se ha demostrado que la transferencia es muy favorable cuando la interacción PI-PI es estable, y tiene un solapamiento elevado. El acoplamiento electrónico (electronic coupling) es básico para estudiar la interacción entre fragmentos del sistema. Se ha encontrado que es máximo cuando los dos framentos son simétricos, es decir cuando el solapamiento entre los orbitales moleculares PI es máximo. Han habido estudios posteriores basados en dinámica clásica y cuántica de las interacciones con el solvente, que han determinado la influencia del mismo en los acoplamientos electrónicos entre fragmentos.

 

  

 

 

 

 

Figura 1. Transferencia de carga entre Nanopartículas.

Para estudiar el Excess Electron Transfer (EET) adicionamos un electrón más a todo el sistema en estudio. En principio, el sistema es neutro lógicamente, pero al adicionar un electrón obtenemos el anión de todo el sistema. La adición del electrón condiciona el proceso de transferencia de carga, ya que la transferencia se produce entre orbitales moleculares LUMO ( Lowest Unoccupied Molecular Orbital). En particular, se le denomina hopping, el electrón es tranferido al orbital LUMO del siguiente fragmento. El estudio cuantitativo se basa en considerar, por ejemplo si tenemos dos fragmentos, la energía de los orbitales LUMO y LUMO+1. La interacción entre los dos orbitales LUMO ha de ser PI, en caso contrario se despreciará. El cálculo del electronic coupling es complejo, pero necesario para entender cuantitativamente el acoplamiento entre ambos orbitales moleculares ( LUMO y LUMO+1). Hasta el momento, el estudio experimentalmente de sistemas por medio de EET no ha podido ser realizado. En especial, se ha considerado al sistema enlazado a un grupo cromóforo, posteriomente a la excitación puede darse el hopping del electrón, en caso contrario tendremos disipación por medio de fluorescencia. Para darse el hopping, por supuesto, han de darse ciertas condiciones estructurales, interacciones entre fragmentos que no hace fácil su estudio experimental como teórico. Últimamente, se ha encontrado que el método computacional DFT obtiene resultados precisos para el EET para sistemas en fase gas. Para su estudio, hay un problema añadido: el orbital LUMO se le considera falto de significado físico. En elgunos estudios, consideran que no lo tiene debido a que originalmente el sistema no tiene ocupado tales orbitales. Además, definirlos de forma correcta podría ser valuoso para obtener cuantitativamente afinidades alectrónicas razonables.

El estudio de sistemas por medio de Hole Transfer (HT) se basa en conceptos diferentes al EET, respectivamente. Inicialmente, el sistema es neutro pero se le considera para su estudio un radical catiónico. La carga electrónica es transferida, a diferencia del EET, a través de los orbitales moleculares HOMO. Por ejemplo, si consideramos dos fragmentos, la tranferencia de la carga será entre los orbitales moleculares HOMO y HOMO-1. Para obtener una mayor eficiencia en la transferencia de la carga, los orbitales han de ser de simetría PI. Los estudios cuantitativos realizados para el estudio de sistemas por medio del HT, son prácticamente los mismos al EET. Los parámetros de eficiencia: electronic coupling, splitting energy, transition dipole moment son básicos para calificar el HT en los sitemas en estudio. Experimentalmente, HT es más favorable, se han dedicado muchos esfuerzos ha su estudio para predecir aplicaciones en tecnología.

Figura 3. Hole transfer en sistemas constituídos por nucleobases del DNA  

En los últimos años, hay un gran interés por su aplicación a polimeros orgánicos, pero mayoritóriamente a sistemas biológicos. Estos estudios han favorecido el avance de la nanotecnología, biotecnología, nanosensores, determinación de proteínas, etc. Las futuras aplicaciones se centran en el diseño de nanochips basados en compuestos orgánicos y sistemas biológicos para aplicaciones industriales, tecnológicas, obtención de energía solar de manera más eficiente, etc.

 

Figura 4. Chip de DNA.

Mi interés en este momento radica en el estudio de la transferencia electrónica en sistemas biológicos, en especial el DNA. Ambos métodos de estudio (HT, EET) se aplican a N nucleobases del DNA, en geometría fija o con dinámica. En especial, el estudio realizado se considera dos o tres nucleobases, y se determinan todos los parámetros que definen la transferencia de carga entre las nucleobases. Para el estudio por medio de HT, por lo general, se considera la Guanina (G) debido a su mayor potencial de oxidación. Por el contrario, para EET se considera la Timina (T) ya que su afinidad electrónica es superior a la del resto de nucleobases, aunque se ha determinado que la Citocina (C) posee un valor de afinidad electrónica similar al de T.  Lógicamente, no es fácil el estudio del HT o EET, ni sus aplicaciones son evidentes debido a la complejidad de los sistemas tanto biológicos como químicos. De todas formas, se necesitan muchos más estudios, simulaciones, condiciones de los sistemas, etc. 

 

Fotoquímica y Aromaticidad

Los dos conceptos parecen distantes, hay alguna base para considerarlos que uno es la causa al cambio del otro. Es bien conocido que la irradiación de la materia con fotones tiene un efecto sobre la materia, se traduce a causa-efecto. Dependiendo de la energía de los fotones, se tienen consecuencias variadas en la materia. Por ejemplo, la irradiación con luz UV a compuestos con grupos cromóforos, tiene un efecto que ocasiona una transición electrónica entre orbitales moleculares (aunque estos se utilizan como complemento para interpretar propiedades de la materia, como absorción de radiación). Por lo general, la transición es del HOMO ( Highest Occupied Molecular Orbital) al orbital LUMO ( Lowest unoccupied molecular orbital), en especial la transición es del orbital con simetría PI enlazante al antienlazante. Los compuestos que presentan electrones deslocalizados en su estructura, y son cíclicos, las transición PI-PI esta más favorecida. Estos tipos de compuestos se utilizan como grupos cromóforos para la nanotecnología, medio para obtener energía solar basándose en los procesos dados por la plantas, etc. Un estudio más profundo, utilizando nanotubos, fulerenos, permitiría predecir aplicaciones.

Figura 1. Molécula de clorofila perteneciente a las plantas, grupo cromóforo precursor de la fotosíntesis.

Los compuestos con electrones deslocalizados, y mayoritoriamente cíclicos, se consideran que son aromáticos. La aromatidad es un concepto puramente químico, donde su definición cuantitativa no está totalmente clarificada. La deslocalización de los electrones ocupando orbitales de simetría PI, tiende a estabilizar la estructura cíclica, dotándole de una reactividad particular. Hasta el momento, poseemos indices que permiten cuantificar la aromaticidad: por ejemplo, el indice NICS, HMO, etc. Algunos indices dan resultados interpretables para unos compuestos pero no para todos. Inclusive un cambio en la base del cálculo computacional, permite obtener un resultados totalmentes diferentes. Los indices que incluyen la deslocalización son los que dan una interpretación correcta, y es definible y predecible la reactividad del compuesto. Se ha determinado que la deslocalización electrónica influye en la magnetización, creándose pequeños campos magnéticos en los anillos inducidos por campos magnéticos. Se ha encontrado en estudios de RMN de anillos aromáticos. Últimamente, se ha encontrado que los compuestos inorgánicos presentan esta propiedad. 

Figura 2. Disposición electrónica en los orbitales moleculares

 

Figura 3. Orbitales moleculares y disposición energética de los mismos

Ambos conceptos estan ligados pero en qué medida uno depende del otro. La excitación electrónica puede ser la causa a un cambio en la aromaticidad de la molécula. Los electrones deslocalizados son muy sensibles a la excitación electrónica, induciéndose un cambio en las propiedades químicas de la molécula. Consecuentemente, un cambio en las propiedades electrónicas del compuestos induce a un cambio en la aromaticidad. Hasta ahora ( que yo sepa) no se ha podido determinar la estructura de estados excitados.  Un estudio detallado de la influencia de la excitación electrónica en compuestos aromáticos, permitiría obtener más datos valuosos sobre la transferencia de carga. El proceso de transferencia de carga esta muy ligado a ambos conceptos, en especial por que se interpreta que la transferencia se da entre orbitales moleculares de simetría PI. Definir cuantitativamente la aromaticidad ( y deslocalización electrónica) cuando hay la acción de luz permitiría obtener y seleccionar compuestos orgánicos para transferencia de carga.     

Una interesante noticia de la revista Nature Nanotechnology asegura que científicos han podido simular el proceso de reparación llevado a cabo por la planta, cuando los complejos fotosintéticos son sobreexcitados por un exceso de luz. Se ha podido llevar a cabo mediante el uso de sistemas moleculares artificiales.

Parece un avance considerable, el problema es si el procedimiento puede ser extrapolable a sintetizar complejos que puedan reparar, por ejemplo, la ruptura del DNA cuando es incidido por UV. Ahora, sería interesante simular teóricamente este comportamiento y predecir propiedades, aplicaciones que puedan ser utiles para la nanotecnología.  

En todo caso, parece que se avanza un paso más en la comprensiíon de la naturaleza, y se buscan aplicaciones de estos procesos. Por ejemplo, el proceso de la fotosintesis es un de los candidatos para obtener energía del sol. Ja veurem…

 

Según una última investigación de la revista Science  ( M J Bierman et al, Science, 2008), químicos americanos han demosrado que el  su crecimiento de wires de sulfide puede ser controlado y manipulado. Además, adoptarían formas de arbol, espiral; pero lo más interesante, según los investigadores, ha sido que esta formas son manipulables, es decir, que la interacción con la luz les hace adoptar formas y características muy ventajosas para la nanotecnología, energía solar, biosensores, y para el campo de la fotónica.   

La manipulación del crecimiento del nanowire parece interesante. Sería interesante estudiarlo y predecir posibles aplicaciones como las esperadas, quizás un estudio computacional más detallado daría pistas sobre las prometedoras aplicaciones.  

Por el momento, los sistemas biológicos y los polimeros orgánicos parecen que son los que toman ventajas en las prometedoras aplicaciones. Por ejemplo, el DNA es una de los fuertes candidatos en el futuro para la realización de chips y dispositivos electrónicos. Pero este pinta bien… 

 

 

El pasado Viernes, la UdG se abrió a la sociedad y a los futuros estudiantes. Una actividad muy necesaria y ha estado muy bien. La verdad es que se esta haciendo un excelente trabajo en materia de unión universidad-sociedad. Unos de los parámetros es poder llegar a la sociedad para llegar a la sociedad del conocimiento, tener una sociedad integrada en una economía del conocimiento es de los objetivos que persiguen muchos países. Países como Suecia, Dinamarca, Finlandia, Suiza son los que guían por el momento al resto. Es mucho mejor hacer las cosas despacio. A la larga, el tiempo siempre habla.

Felicitaciones y ánimos a aquellos que hallan trabajado por el éxito de las Jornadas. Ha sido un espacio de mucha ayuda a todo aquel estudiante que esta indeciso, y a la sociedad en general. Me ha gustado mucho esta frase: ” la curiositat es la primera de las pasions“. Sí, es realmente sincera y emocionante.

   

 

 

   

Al parecer ni los autores ni los editores se fian de que los informes de evaluadores sean, en su mayoria, lo suficientemente criticos ni fiables. Se ha descrito el proceso del peer review como arbitrario, subjetivo y secreto. Pero otros argumentan que es simplement inneccesario y enlentece la comunicación con el público. 

El sistema toco fondo cuando se anuncio el fraude del científico coreano que publiucoó en Science una técnica revolucionaria sobre clonación, con unas aplicaciones impresionantes en medicina regenerativa. Este tipo de fracasos del peer review no son más que oportunidades para las revistas de “prestigio” y financiación para sus autores.  La fusión fría ha sido otro caso del fracaso intensionado o no del peer review.

No creo que el peer review falle, ni mucho menos. Aún más, no entiendo los artículos de Science, The Scientist, Nature que intentan desprestigiar, acosan como único parametro el trabajo de algunos evaluadores  Cómo se puede evaluar una investigación experimental en dos semanas, con resultados de dos años de investigación y, además, con unas promesas revolucionarias. El evaluador/es tiene/n la funcion/es de interpretar la claridad de las ideas, orden lógico, referencias de contrastes, etc. La reproducibilidad del experimento experimental o teórico es el único parametro fiable para determinar el fraude. 

  

Un problema que se mantiene es cómo enlazar a biomoleculas, moléculas orgánicas sin afectar la funcionalidad, ni las propiedades de las mismas. Además, este problema se puede extrapolar a la nanociencia: obtención de energía solar, ”nanowires” de compuestos biológicos u orgánicos. Sin lugar a dudas, un enigma para el que, hasta el momento, no hay solución. La nanotecnología estaría muy agradecida, y en no muy lejos lo estará.

La revista Chemical Biology (RSC) ha publicado un artículo en el cual ya se aproximan a la solución. Científicos de la University of Cambridge han dado un paso muy especial; incluir una molécula orgánica y con un grupo especialmente cromóforo (dienos) sin afectar a la funcionalidad, ni la estabilidad del DNA. Una alegría para la nanotecnología y chips basados en en compuestos de procedencia biológica. 

En palabras de Balasubramanian ( University of Cambridge): ‘We and others have shown that this results in a dye-DNA interaction that alters the stability of the DNA double helix.’  Los investigadores han podido revertir esta desestibilización de la cadena de DNA, mediante la unión de otra molécula orgánica (Etinil) que mantiene rígida la unión entre la base y el dieno. Esta unión provoca que la funcionalidad del DNA se mantenga intacta. Además agrega: ‘There is considerable interest in labelling DNA and RNA with fluorescent dyes for a range of applications that include fluorescence biophysics, genetic analysis, gene sequencing and nanoscience.’

Un avance considerable y muy representativo de lo que será, sin lugar dudas, un ladrillo más para la “nueva” ciencia que se aproxima. Conseguir enlaces o sintetizar compuestos que mantengan la funcionalidad de biolomoléculas y además que se enlacen a grupos cromóforos, será un campo muy activo en los próximos años. En nanotecnología es muy importante, más aún si se basa en biomoléculas, mantener la estabilidad, entre otras propiedades. La verdad que es muy motivante e ilusionante este descubrimiento, ya se deja ver la buscada unión entre lo macro y lo micro.