Forskere udvikler ny teknik, der bruger lys til at adskille spejlede molekyler

Molekyler lavet i laboratorier har ofte en ulempe, som naturen på mystisk vis undgår. Problemet er, at mange molekyler er chirale, hvilket betyder, at de har en asymmetrisk struktur. En konsekvens af chiralitet er, at når vi syntetiserer et chiralt molekyle, laver vi også ofte dets dobbeltgænger, et spejlbillede af det tilsigtede molekyle. De to kan ligne hinanden, men som højre og venstre hånd, de er ikke udskiftelige.

Afhængig af håndenhed, molekylet limonen lugter som appelsiner eller terpentin, ibuprofen kan være fire gange mere potent, og thalidomid behandler enten morgenkvalme eller fører til alvorlige fødselsdefekter.

"Cirka 50 procent af lægemidler og 30 procent af landbrugskemikalier er chirale, hvilket betyder, at de kan være venstre- eller højrehåndede. Af disse, mere end 90 procent sælges som blandinger af begge molekyler, fordi det er så svært at adskille dem, " sagde Jennifer Dionne, lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford University. De normale kemiske metoder til at adskille molekyler - for at holde den gode version og luge ud i de dårlige - er dyre, tidskrævende eller ineffektive.

Dionnes laboratorium har nu vist en tilgang, der lover at adskille chirale molekyler. Det involverer et nanostruktureret filter, der når den belyses med laser, tiltrækker enhåndseksemplar, mens den frastøder sit spejlbillede. Holdet offentliggjorde denne teknik i 25. september-udgaven af Natur nanoteknologi .

Et let håndtryk

Fokuseret lys kan ændre et objekts momentum. Denne effekt er blevet brugt til at skabe utrolige værktøjer, kaldet optisk pincet, som gør det muligt for forskere at manipulere partikler med højt fokuserede lysstråler. (Det var hans arbejde med en optisk pincet, der gav Steven Chu, professor i fysik ved Stanford og professor i molekylær og cellulær fysiologi ved Stanford School of Medicine, Nobelprisen i fysik i 1997.) Selvom ideen om at tweese chirale former fra hinanden har virket tiltalende, mange af de molekyler, vi ønsker at målrette mod, er for små til at blive trukket fra hinanden af ​​optiske kræfter direkte.

Yang Zhao, en postdoc i Dionne-laboratoriet, overvandt denne svaghed ved at skabe en nanostruktur, der tillader cirkulært polariseret lys at interagere stærkere med små prøver. Lysbanen i nanostrukturen kortlægger en spiral i den ene retning, men ikke den anden. Når først det chirale lys har passeret gennem denne vej, den interagerer med molekyler, der komplementerer dens form og trækker dem nedad.

Forskerne testede deres prototype ved at måle de kræfter, der udøves på chirale prøver. De byggede et værktøj kaldet et chiralt optisk kraftmikroskop, som kombinerer den optiske pincet med et atomkraftmikroskop (AFM), et værktøj, der er i stand til at opløse den kemiske struktur af et enkelt molekyle. En chiral AFM-spids tjente som den chirale prøve og, på samme tid, kortlagt de kræfter, der er specifikke for spidsens håndhed. De viste, at de optiske kræfter produceret af deres pincet er stærke nok til at adskille visse chirale molekyler.

Opbygning af det optiske filter

Holdet har endnu ikke testet pincetten på faktiske chirale molekyler, men Zhao er begyndt at kvantificere de kræfter, de er i stand til at anvende på DNA og visse proteiner. Disse chirale molekyler har en specifik handedness i naturen, men kan være enten håndedness, hvis de produceres i et laboratorium.

Det næste trin vil være at samle deres pincet til en slags filter, der kan adskille to former for et lægemiddel eller andre molekyler.

"Vi vil sætte mange af disse nanostrukturer på en mikrofluidisk chip, hvor et lægemiddel af interesse kan introduceres, " sagde Zhao. "Hvis det virker, som vi vil have det til, vi burde være i stand til at få stoffet adskilt ved belysning."

Ud over at sortere lægemidler for at gøre dem sikrere eller mere effektive, forskerne mener, at deres pincet kan bruges til andre formål, såsom overvågning af foldningen eller udfoldningen af ​​et protein eller muliggør lysmedieret syntese af chirale kemikalier.