Chiralitet i realtid

At skelne mellem venstrehåndede og højrehåndede (chirale) molekyler er afgørende i kemi og biovidenskab, og opnås almindeligvis ved hjælp af en metode kaldet cirkulær dikroisme. Imidlertid, under biokemiske reaktioner, den chirale karakter af molekyler kan ændre sig. EPFL-forskere har nu udviklet en metode, der bruger ultrakort, dybe ultraviolette pulser for nøjagtigt at sondere sådanne ændringer i realtid i biomolekylære systemer.

I naturen, visse molekyler med samme kemiske sammensætning kan eksistere i to spejlede konfigurationer, meget som menneskehænder. Denne egenskab er kendt som "kiralitet, " og molekyler med forskellig chiralitet kaldes enantiomerer. Enantiomerer kan udvise helt forskellige kemiske eller biologiske egenskaber, og at adskille dem er et stort problem inden for lægemiddeludvikling og i medicin.

Den metode, der almindeligvis anvendes til at påvise enantiomerer, er cirkulær dikroisme (CD) spektroskopi. Den udnytter det faktum, at lys polariseret til en cirkulær bølge (som et spabad) absorberes forskelligt af venstrehåndede og højrehåndede enantiomerer. Steady-state CD-spektroskopi er et vigtigt strukturelt værktøj i (bio)kemisk analyse.

Mens du fungerer, biomolekyler gennemgår strukturelle ændringer, der påvirker deres chirale egenskaber. At undersøge disse i realtid (dvs. mellem et picosekund og et nanosekund) giver et overblik over deres biologiske funktion, men dette har været udfordrende i det dybe UV-spektrum (bølgelængder under 300 nm), hvor de fleste biologisk relevante molekyler såsom aminosyrer, DNA- og peptidspiraler absorberer lys.

Begrænsningerne skyldes manglen på tilstrækkelige kilder til pulserende lys og følsomme detektionsskemaer. Men nu, gruppen af ​​Majed Chergui ved Lausanne Center for Ultrafast Science (EPFL) har udviklet et setup til at visualisere den chirale respons af (bio)molekyler ved CD-spektroskopi med en opløsning på 0,5 picosekunder.

Opsætningen bruger en fotoelastisk modulator, som er en optisk enhed, der kan styre polariseringen af ​​lys. I dette system, modulatoren tillader shot-to-shot polarisationsskift af et 20 kHz femtosekunds pulstog i det dybe UV-område (250-370 nm). Det er derefter muligt at registrere ændringer i chiralitet af molekyler med variable tidsforsinkelser, efter at de er exciteret med en kort laserpuls.

"Aminosyrerester og DNA-baser absorberer lys under 300 nm, siger Malte Oppermann, avisens første forfatter. "Dette set-up er det første, der dækker denne region, og vi testede det med succes på et molekylært modelsystem. Vores næste mål er at gå videre til større biosystemer, ligesom DNA-oligomerer."