Moléculas de imágenes en diferentes estados de carga

La conversión y el transporte de energía en los sistemas vivos se basan en la carga y descarga de moléculas. Lo más importante en este aspecto es la familia de las porfirinas, que comprende clorofila y hemoglobina. Las transiciones de carga de estas moléculas son esenciales para la vida. Las transiciones de carga de las moléculas también juegan una regla crucial en los dispositivos fotovoltaicos orgánicos, electrónicos y orgánicos.

Cuando una molécula se carga, esto cambia tanto la estructura como la función de la molécula. Resolver los cambios estructurales de las moléculas cuando se cargan mejora nuestra comprensión de estas relaciones fundamentales.

Mis colegas de IBM Research y yo, junto con colaboradores de CiQUS, en la Universidade de Santiago de Compostela y ExxonMobil, informamos en la revista de revisión por pares Science que hemos podido resolver con una resolución sin precedentes los cambios estructurales de moléculas individuales al cargarse, incluida la porfina, el compuesto original de las porfirinas. Esta nueva comprensión desvela algunos de los misterios de las relaciones de función de carga molecular en lo que se refiere a cómo la biología convierte y transporta energía.

Diez años en la fabricación

Hace diez años, mis colegas y yo desarrollamos una técnica para resolver la estructura de moléculas con resolución atómica (Science 325, 1110, 2009) y luego demostramos su sensibilidad para sondear la fuerza de los enlaces en moléculas (Science 337, 1326, 2012). . Nuestro truco para mejorar la resolución de la imagen fue funcionalizar la punta de un microscopio de fuerza atómica de baja temperatura con una sola molécula de monóxido de carbono (CO). A lo largo de los años, avanzamos en esta técnica para controlar el estado de carga de las moléculas, que colocamos en aisladores para excluir las fugas de carga (Nature Comm. 6, 8353, 2015). Con el voltaje aplicado entre la punta de AFM y la muestra, podemos controlar la cantidad de electrones en una molécula.

El año pasado, mi colega Shadi Fatayer y yo pensamos en cómo podríamos combinar estos trabajos anteriores. Es decir, la obtención de imágenes de moléculas con ultra alta resolución utilizando puntas de CO y al mismo tiempo controlando la carga. En nuestra nueva publicación demostramos cómo se logró este objetivo y mostramos lo que se puede aprender investigando los estados de carga de varias moléculas con importancia en diferentes áreas.

Los resultados

Primero, mostramos que los cambios en la geometría de adsorción se pueden resolver investigando un interruptor molecular bien conocido (azobenceno). Los dos grupos planos de la molécula eran paralelos cuando era neutral. Descubrimos que se inclinan entre sí cuando se une un electrón, cargando la molécula negativamente.

A continuación, nos centramos en los cambios inducidos por cargas en la fuerza de los enlaces individuales. Estos son efectos pequeños y elegimos un compuesto modelo (pentaceno) para ver si podían resolverse. Podríamos manipular esta molécula modelo en cuatro estados de carga diferentes, desde positivo hasta doblemente negativo. Resolvimos qué enlaces dentro de la molécula se fortalecen y cuáles se debilitan cuando cambiamos la carga. En este sistema modelo aprendimos cómo se pueden comparar las imágenes tomadas en diferentes estados de carga.

Luego aplicamos nuestro método a una molécula (TCNQ), que se usa con frecuencia como aceptor de carga y resuelve tanto las distorsiones fuera del plano como los cambios en la fuerza de la unión en función del estado de carga. Sorprendentemente, esta molécula se levanta cuando es neutra y se deposita en la superficie cuando es negativa o doblemente negativa. Se puede observar el aumento de la aromaticidad del anillo molecular central desde el estado de carga negativo al doblemente negativo.

Finalmente, y quizás la molécula más interesante que investigamos, es la porfina, el compuesto original de la clorofila y la hemoglobina. La forma en que estas moléculas cambian su vía de conjugación es controvertida y es muy importante comprender sus funciones. Por primera vez, pudimos visualizar cambios en la vía de conjugación y la aromaticidad de la porfina en tres estados de carga diferentes.

Con nuestra nueva técnica, podemos aumentar la comprensión de cómo la carga altera la estructura y función de las moléculas, que son vitales de muchas maneras, como la fotoconversión y el transporte de energía en los organismos vivos.