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Nuevas Areas de Investigación en Química

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Charla para el XVIII COCIPEFYB (Trujillo, Perú)

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Nuevas Areas de Investigación en Química

  1. 1. Nuevas Áreas de Investigación en Química: Química Supramolecular, Química Computacional, Bioinformática Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. jesus@upch.edu.pe XVIII COCIPEFYB 09 – 16 de noviembre del 2008 Universidad Nacional de Trujillo Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  2. 2. Agenda ● ¿Qué significa hacer Ciencia? ● ¿Qué es la Química? ● Nuevas áreas de investigación en Química Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  3. 3. ¿Qué significa el hacer Ciencia? Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  4. 4. ● Scientia (latín) = Conocimiento. ● Es un sistema para adquirir conocimiento basado en métodos empíricos, experimentación y un objetivismo lógico. ● El conocimiento deriva en teorías que son objetivas, probables empíricamente, y predictivas. ● El método científico: modelo -> hipótesis -> teoría -> ley. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  5. 5. Las Ciencias antes y hoy ANTES: Ciencias HOY: Ciencias integradas en aisladas pero investigación multidisciplinaria interactuando en el contexto de la sociedad. Química Física Química Física Matemáticas Biología Biología Matemáticas Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  6. 6. Química ● La “Ciencia Central” ● Estudia la propiedades de la materia a nivel atómico y molecular. ● Estructura => Propiedades. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  7. 7. La Química es diversa Química Analítica, Química Inorgánica, Química Orgánica, Fisicoquímica, Química Teórica, Química Nuclear, Bioquímica, Astroquímica, Química Atmosférica, Ingeniería Química, Electroquímica, Química Ambiental, Geoquímica, Química Médica, Química Organometálica, Química de Polímeros, Petroquímica, Química de Superficies, Química (o Ciencia) de los materiales, Farmacología, Fitoquímica, Fotoquímica, Termoquímica, Química computacional, Química Supramolecular, Nanotecnología, etc. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  8. 8. Nuevas áreas en Química ● Sistemas complejos ● Grupos inter/multi- disciplinarios ● Oportunidades de avance en temas de frontera entre ciencias Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  9. 9. Tres áreas nuevas en Química ➢ Química Supramolecular Sistemas de ensamblajes multi-moleculares. ➢ Química Computacional Métodos computacionales para el estudio de sistemas moleculares ➢ Bioinformática Estudio computacional de biomoléculas (DNA, RNA, proteínas, etc.) Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  10. 10. Química Supramolecular Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  11. 11. Química Supramolecular Jean-Marie Lehn (Nobel, 1987): “(L)a Química Supramolecular es la Química de los enlaces intermoleculares, y estudia la estructura y funciones de las entidades formadas por dos o más especies químicas.” Del artículo “Metallosupramolecular Chemistry”, Chemistry & Industry (1994) por Edwin Constable Subdisciplinas: Ingeniería de cristales, dispositivos supramoleculares, sistemas con autoensamblaje y autoreparación, materiales inteligentes, nanotecnología, etc. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  12. 12. Encapsulación molecular Cápsulas completas ... y cápsulas parciales Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  13. 13. Complejos endohédricos ● Átomo metálico capturado dentro de buckyball. ● Nomeclatura: M@C60 ● También se pueden capturar moléculas. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  14. 14. Nanosistemas moleculares ● Sistemas moleculares que forman materiales, estructuras y dispositivos de escala nanométrica -9 (1 nm = 10 m = 10 Å) ● Estos sistemas presentan: ➔ Auto-organización ➔ Auto-ensamblamiento ➔ Auto-replicación ➔ Auto-reparación Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  15. 15. Ensamblajes moleculares Complejos metal-ligando Autoensamblaje supramolecular Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  16. 16. Dendrimeros: Sistemas moleculares ramificados Composición Uso Estructura Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  17. 17. “Cables eléctricos” moleculares Crontakes, S.M. et al. PNAS, 2005, 102(38): 13451-13456 Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  18. 18. Química Computacional  H =E  Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  19. 19. Química Computacional “Es la rama de la Química cuyo objetivo es el crear aproximaciones matemáticas (algoritmos, métodos, etc.), y programas de computadora, que sean eficientes en el cálculo del comportamiento y las propiedades de sistemas moleculares.” Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  20. 20. Usos de la Química Computacional ● Cómputo de estructuras tridimensionales. ● Comportamiento dinámico de un sistema (desde un gas simple, hasta un inhibidor enzimático) ● Propiedades electrónicas y espectroscópicas. ● Diseño de nuevos candidatos a fármacos. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  21. 21. Usos de la Química Computacional ● Estudio de posibles mecanismos de reacción. ● Descripción de la formación de complejos y sistemas supramoleculares. ● Clasificación y búsqueda de estructuras. ● Relación estructura-función. ● Y muchísimos más usos... Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  22. 22. Haciendo investigación hoy ●Actividad biológica Propiedades (fármacos, etc.) ●Impacto ambiental deseadas (polímeros, etc.) r ta M re ed rp ir te In Diseño estructural Sintetizar Compuestos Antes: Sintetizar, medir, repetir (costoso, muchas pruebas y fallas) Hoy: Construir, calcular, repetir (menos costoso, más simple y escalable, y menor tiempo para obtener buenos candidatos) Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  23. 23. Aplicar Matemática e Informática a la Química no es fácil... “Pero esta es la versión simplificada para el público en general” Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  24. 24. Métodos más usados en Química Computacional Ab-initio DFT Incremento en la complejidad Semi-empírico y costo del cálculo Mecánica Molecular Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  25. 25. Ab-initio ● Cálculos basados en principios teóricos. ● Usauna aproximación a la ecuación de onda: Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  26. 26. Teoría de Densidad Funcional ● Usa la densidad electrónica, en lugar de la función de onda de Schrödinger: ● Se basa en la formulación de que la energía de una molécula, depende de una “funcional” (función compleja) de densidad en 3-D. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  27. 27. Métodos semiempíricos ● Simplificación de los métodos ab-initio. ● Sólousa los electrones de valencia, e ignora ciertos componentes de la energía molecular. ● Reemplaza el cálculo de parámetros de energía por datos experimentales. ● El método de parametrización, determina su ámbito de uso: NMR, UV/Vis, estructuras, etc. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  28. 28. Mecánica Molecular (MM) ● Aplica la mecánica clásica a las moléculas: ● No considera electrones ● Átomos son esferas con masa elemental ● Enlaces son resortes que obedecen a la Ley de Hooke: F = -kx (donde: k: constante, x: desplazamiento) ● Similarmente, se usan “resortes” para representar ángulos de enlace, ángulos dihédricos, etc. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  29. 29. Componentes de Energía en MM Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  30. 30. Cálculo de orbitales atómicos Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  31. 31. Densidad electrónica: fenol Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  32. 32. Perfiles energéticos Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  33. 33. Estructura molecular y distribución electrostática Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  34. 34. Dinámica molecular Trayectoria y distribución de conformaciones Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  35. 35. Búsqueda de sub-estructuras (2D)     Cl Un anillo aromático   substituido con Cl O O halógeno, y un O O group carbonilo N   O O N O N F O   I N N O N F F O   Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  36. 36. Búsqueda de sub-estructuras (3D) ● Relaciones O( s1 ) A C (u) espaciales   O( s1 )   ● Definerangos de distancias y 3.3 ­ 4.3 Å ángulos O 6.8 ­ 7.8 Å ● Seusa la conformación de 3.6 ­ 4.6 Å menor energía [O,S ] A Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  37. 37. Distorsión geométrica en [4Fe4S] Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  38. 38. Ángulos dihédricos en histidinas Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  39. 39. “Minería de datos” 3D Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  40. 40. Interacciones inter-moleculares Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  41. 41. Bioinformática Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  42. 42. Bioinformática La definición corta: “... La ciencia que usa la (tecnología) informática para entender la Biología ...” de “Developing Your Bioinformatic Skills”. Hay otra definición “oficial”, completa y más larga, que en esencia dice lo mismo... Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  43. 43. Áreas de estudio en Bioinformática ● Genómica computacional Identificar genes en un genoma, análisis y comparación de secuencias, etc. (Dimensionalidad: 1D y 2D) ● Bioinformática estructural Análisis de estructuras, plegamiento de proteínas, etc. (Dimensionalidad: 3D) Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  44. 44. Áreas de estudio en Bioinformática ● Proteomas y rutas de interacción Redes de interacción proteínica, rutas de expresión, cambios de interacción con el tiempo, etc. ● Biología de sistemas Entender a los sistemas biológicos desde el nivel molecular, pasando por el celular, hasta el funcionamiento como parte de un organismo. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  45. 45. Biomoléculas (1) De una molécula de agua, pasando por aminoácidos, a un trozo de ADN y un pedazo de proteína Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  46. 46. Biomoléculas (2) ... hasta una enzima Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  47. 47. Biomoléculas (3) ... y un Virus Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  48. 48. Biomoléculas (4) ... pasando por una bacteria Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  49. 49. Biomoléculas (5) ... y llegando a células sanguíneas Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  50. 50. Cuantificando el tamaño y el número de las biomoléculas ● Si una proteína fuera del tamaño de un grano de arroz, una célula promedio mediría: 10 m x 10 m x 10 m. ● Si una célula fuera del tamaño de un grano de arroz, la punta del dedo meñique mediría: 10 m x 10 m x 10 m. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  51. 51. Biomoléculas en contexto ● Sección de la célula (E. coli), que muestra el empacamiento interno, y la membrana. ● Dibujo hecho a mano por el profesor David Goodsell (TSRI) Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  52. 52. En resumen... Hay muchas cosas nuevas que hacer en la Química de hoy Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  53. 53. Palabras finales ● La ciencia hoy en día es multidisciplinaria. ● Para ser exitosos necesitamos entender la Química en el contexto de otras ciencias y su impacto social. ● Existen muchas oportunidades de descubrimiento original en las áreas de frontera entre las ciencias. ● No teman al cambio, eso es lo único constante en el desarrollo científico: Aprendan a seguir aprendiendo. Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
  54. 54. ¡Gracias! A los organizadores del XVIII COCIPEFYB. A ustedes por no aburrirse mucho con mi charla interminable. Esta y otras presentaciones están disponibles en: http://www.castagnetto.com/ Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, y Dirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia

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