Pesquisadores da Universidade de Nova York criaram uma abordagem matemática para prever as estruturas de cristais — uma etapa crítica no desenvolvimento de muitos medicamentos e dispositivos eletrônicos — em questão de horas usando apenas um laptop, um processo que antes levava semanas ou meses para um supercomputador. Sua nova estrutura foi publicada no periódico Nature Communications .

Cristais moleculares orgânicos são uma classe importante de materiais em muitas indústrias, desde farmacêutica e agricultura até eletrônicos e explosivos. Cristais são os blocos de construção que compõem muitos medicamentos de venda livre e prescritos , inseticidas para combater mosquitos, explosivos como TNT, semicondutores e tecnologias de emissão de luz usadas em telas de televisão e celulares.

Apesar da ubiquidade dos cristais moleculares em muitos produtos cotidianos, a capacidade de prever suas estruturas tridimensionais continua sendo um desafio, especialmente se um composto pode cristalizar em múltiplas formas. Em um exemplo dramático da necessidade de prever estruturas cristalinas, cientistas no final da década de 1990 descobriram que cápsulas do medicamento para HIV ritonavir mais tarde se transformaram da forma cristalina conhecida em uma forma desconhecida, porém mais estável. Essa mudança na estrutura cristalina tornou o medicamento ineficaz e o forçou a sair do mercado até que uma nova formulação fosse criada.

A maioria das abordagens atuais para prever estruturas de cristais usa métodos baseados em física que têm limitações, incluindo a introdução de viés e erros ou a previsão de muitas formas de cristais do que realmente ocorrem em experimentos. Além disso, os métodos exigem poder de computação significativo e podem levar semanas a meses, dependendo da complexidade das moléculas constituintes.

"Essas abordagens baseadas em física — que são caras e demoradas — produzem previsões que são tão precisas quanto a física aplicada a elas, e é por isso que tem havido um impulso em direção a métodos computacionais que podem resolver essa deficiência", disse Mark Tuckerman, professor de química e matemática na NYU e autor sênior do estudo.

Para superar esse desafio, Tuckerman e Nikolaos Galanakis, um pesquisador de pós-doutorado da NYU, desenvolveram uma nova abordagem matemática que chamaram de "Crystal Math" para prever estruturas cristalinas com base em regras puramente matemáticas que regem como as moléculas se agrupam em cristais e alguns descritores físicos simples do ambiente do cristal.

O Crystal Math então resolve 13 parâmetros básicos relacionados ao arranjo de moléculas no cristal — incluindo a localização e orientação molecular e a geometria dos blocos básicos de construção do cristal — além de outros fatores geométricos que definem o formato de cada molécula no cristal.

Tuckerman e Galanakis verificaram as regras da Crystal Math usando o Cambridge Crystal Data Centre, um banco de dados de centenas de milhares de estruturas cristalinas moleculares orgânicas conhecidas. Especificamente, os pesquisadores testaram se suas regras matemáticas hipotéticas eram obedecidas pelas estruturas no banco de dados, o que os guiou em direção a princípios que estruturas conhecidas tinham alta probabilidade de seguir.

Eles então construíram esses princípios em um conjunto de equações cujas soluções agora podem ser usadas para prever estruturas de cristais moleculares não encontradas no banco de dados. Produtos farmacêuticos comuns, como aspirina e paracetamol, cujas estruturas já são conhecidas, foram usados como casos de teste simples.

Em seguida, usando as equações do Crystal Math, os pesquisadores aplicaram seu procedimento a cristais moleculares mais complexos, incluindo moléculas altamente flexíveis, cujas estruturas não estão no banco de dados e obtiveram previsões de estrutura que correspondiam àquelas geradas em experimentos com alta precisão.

"Nossas equações parecem, até agora, nos dar apenas estruturas cristalinas experimentalmente realizáveis, o que aborda o problema dos métodos baseados na física que tendem a 'superprever' o número de estruturas possíveis, o que significa que algumas das estruturas previstas podem nunca ser encontradas experimentalmente", disse Tuckerman.

É importante destacar que as soluções podem ser obtidas em apenas algumas horas em um laptop padrão, em vez de exigir longos períodos de tempo e computadores de alto desempenho exigidos por métodos baseados em física.

"O tempo para solução não é mais de semanas ou meses — podemos obter uma solução da noite para o dia porque resolver as equações é relativamente rápido", acrescentou Tuckerman.

Crystal Math representa o ápice de sete anos de trabalho de Tuckerman e Galanakis para elaborar uma solução matemática para esse problema de grande desafio. Tuckerman foi particularmente inspirado por um artigo de 1967 do matemático e cristalógrafo suíço Johann Jakob Burckhardt, que sugeriu que deveria ser possível usar matemática para prever estruturas de cristais, mas não apresentou uma solução própria.

Mais de 55 anos depois, o protocolo baseado em matemática de Tuckerman e Galanakis atraiu o interesse da indústria farmacêutica e é promissor para investigar compostos ainda não descobertos e prever suas estruturas cristalinas.

"A própria capacidade de desenvolver novos produtos depende de saber se os compostos que os constituem irão cristalizar, quantas formas de cristal são possíveis e a estabilidade dessas várias formas", disse Tuckerman. "Com nossa abordagem matemática, é possível testar a capacidade de muitos compostos de cristalizar e determinar se essas estruturas são adequadas para implantação final no mercado."