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23/01/2019

Acelerando el análisis molecular mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

accelerant RMN per menys cost
La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es una técnica analítica que permite determinar la estructura 3D de moléculas en solución. Uno de los objetivos de la investigación llevada a cabo en el Servicio de Resonancia Magnética Nuclear de la UAB es mejorar la metodología de obtención de datos para reducir el tiempo de análisis y de esta manera reducir su coste. Se proponen dos estrategias: la espectroscopia de tiempo compartido (TF) y la estrategia de múltiples adquisiciones en un solo experimento (MFA), las cuales se han implementado con éxito en experimentos rutinarios.  

Quién no ha oído hablar de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN)? Aunque esta técnica está normalmente asociada a la obtención de imágenes cerebrales en el ámbito médico, tiene muchas otras aplicaciones. En el campo de la química, la RMN se considera una excelente técnica analítica para determinar la estructura 3D de moléculas en solución.

En cuanto el coste de cada análisis, hay que tener en cuenta el elevado precio base de un imán de alta resolución (los más potentes cuestan actualmente entre 10-20 millones de euros, precio que puede aumentar bastante según el equipamiento accesorio). Sobre este precio base, hay que sumar, el coste constante adicional, nada despreciable, que supone su mantenimiento a temperatura baja con He (Helio) líquido (-273 ºC). Teniendo en cuenta estas elevados gastos, es primordial poder analizar el máximo de muestras posibles en un tiempo determinado para sacar el máximo rendimiento a la inversión.

Otro punto importante a destacar es que para resolver una estructura a nivel molecular se requiere mantener la muestra dentro del imán de RMN un cierto tiempo. Básicamente, el tiempo de análisis, depende de la fuerza del campo magnético generado, la sensibilidad de la sonda, la intrínseca complejidad molecular, la cantidad de muestra disponible y la metodología científica que se utilice para la obtención de los datos. Es en la mejora de este último punto donde nuestro grupo de investigación pone su esfuerzo. Concretamente, una de nuestras metas más importantes es mejorar la metodología de obtención de datos para reducir el tiempo de análisis lo máximo posible.
Los beneficios son claros, evidentes e instantáneos:
 - Reducir el tiempo para análisis, que es proporcional a reducir su coste.
 - Ganar tiempo para poder resolver nuevas muestras, acelerando así la investigación.

Recientemente, hemos propuesto nuevas estrategias y experimentos que reducen
notablemente el tiempo de análisis de determinados experimentos rutinarios. Detrás de estas investigaciones hay dos conceptos relevantes: la espectroscopia de tiempo compartido (TS, Time Sharing), y la estrategia de múltiples adquisiciones en un solo experimento (MFA, Multiple Free-induction-decay Acquisition). A continuación se explican estos conceptos muy brevemente.
 
Los experimentos TS permiten la adquisición simultánea de dos experimentos en uno. Normalmente los experimentos que se pueden combinar con esta metodología son experimentos de correlación entre núcleos 1H-13C y 1H-15N. Rutinariamente estos dos experimentos se adquieren consecutivamente uno tras otro porque involucran diferentes núcleos y, por tanto, diferentes frecuencias de resonancia. No obstante, si se dispone de una sonda con tres canales de frecuencia (actualmente rutinarias) estos experimentos se pueden diseñar simultáneamente de tal manera que se obtiene una reducción del 50% en el tiempo de análisis, y este hecho tiene una relevancia notable. Concretamente, hemos publicado en la revista especializada Journal of Magnetic Resonance1, un experimento que permite medir simultáneamente constantes de acoplamiento 1H-13C y 1H-15N, parámetros relevantes para la elucidación estructural de compuestos nitrogenados, como pueden ser los péptidos. Los resultados se han demostrado utilizando como ejemplo la ciclosporina A, un producto natural utilizado como medicamento. 
 
Por otra parte, la estrategia MFA consiste en adquirir señal en diferentes puntos a lo largo de un experimento habitual de RMN (N ventanas de adquisición). Cada ventana de adquisición debe colocarse en puntos estratégicos a lo largo de un experimento para que nos aporte información diferente, y sea así relevante para la caracterización molecular. Simplificadamente, se puede decir que esta estrategia permite la adquisición de N experimentos en 1. Sin entrar en detalles técnicos, una de nuestras últimas aportaciones en el diseño de experimentos de RMN se ha publicado en la prestigiosa revista Chemical Communications2, donde se ha demostrado que podemos combinar hasta 4 experimentos en 1, consiguiendo reducir muy notablemente el tiempo de análisis. La aplicación se ha demostrado efectiva para moléculas patrón como la sacarosa (azúcar común), la estricnina (un alcaloide utilizado como pesticida) y la eritromicina (un antibiótico para el tratamiento de infecciones). 
 
Resumiendo, hemos implementado con éxito los conceptos de TS y MFA en el diseño de experimentos de RMN de rutina en moléculas orgánicas pequeñas, y hemos demostrado su beneficio en la reducción del tiempo de análisis, y por tanto, en la reducción de su coste.

Dr. Pau Nolis
Servicio de Resonancia Magnética Nuclear
Universitat Autònoma de Barcelona 

Referencias

1Nolis, Pau & Motiram-Corram, Kumar & Pérez-Trujillo, Míriam & Parella, Teodor. (2019). Broadband homodecoupled time-shared 1H-13C and 1H-15N HSQC experimentsJournal of Magnetic Resonance, volume 298, pages 23-30. DOI: 10.1016/j.jmr.2018.11.005

2Motiram-Corral, Kumar & Pérez-Trujillo, Míriam & Nolis, Pau & Parella, Teodor. (2018). Implementing one-shot multiple-FID acquisition into homonuclear and heteronuclear NMR experimentsChemical Communications. 54. DOI: 10.1039/C8CC08065H

 
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