Veel van de moleculaire bouwstenen van het leven hebben twee versies die spiegelbeelden van elkaar zijn, bekend als enantiomeren. Hoewel schijnbaar identiek, de twee enantiomeren kunnen een heel ander chemisch gedrag hebben - een feit dat grote implicaties heeft in ons dagelijks leven. Bijvoorbeeld, terwijl een versie van de organische verbinding carvon naar groene munt ruikt, de spiegelvorm ruikt naar karwijzaad. In farmacologie en medicijnontwerp kan het essentieel zijn om onderscheid te kunnen maken tussen de twee enantiomeren en ze indien nodig te scheiden, omdat de gevolgen levensveranderend kunnen zijn. Bijvoorbeeld, terwijl één enantiomeer van bètablokkers zich selectief op het hart richt, de andere werkt alleen op de celmembranen van het oog.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van DESY, Universität Hamburg en University College London hebben een innovatieve nieuwe benadering bedacht om spiegelmoleculen te scheiden en hebben daarmee een nieuw theoretisch kader geïntroduceerd om het fenomeen te begrijpen. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Moleculen die in spiegelversies van elkaar bestaan, worden chiraal genoemd naar het Oudgriekse woord voor hand, verwijzend naar het feit dat de rechter- en linkerhand spiegelversies van elkaar zijn. Om tot nu toe onbekende redenen, het leven geeft vaak de voorkeur aan één versie:terwijl eiwitten bijna altijd linkshandig zijn, suikers zijn meestal rechtshandig.

"Traditioneel, chirale analyse is beperkt tot vloeistoffen, maar we zien een groeiende toename van gasfasemethoden omdat ze een veel grotere gevoeligheid bieden, " zegt DESY-wetenschapper Andrey Yachmenev, hoofdauteur van de studie. "Het vermogen om gassen tot bijna het absolute nulpunt af te koelen, geeft ons een betere controle over ons monster, en dit kan op zijn beurt worden benut om de enantiomeren efficiënt te scheiden en hogere opbrengsten van het ene enantiomeer te produceren in plaats van het andere."

De kern van hun aanpak is een speciaal ontworpen laseropstelling bestaande uit een optische centrifuge, een kurkentrekkervormige laserpuls die moleculen ongelooflijk snel kan ronddraaien, meer dan een biljoen keer per seconde. In combinatie met een extra elektrisch veld, de hele opstelling wordt chiraal en de twee enantiomeren gedragen zich anders, met een unieke kwantumdynamiek.

"De interactie van het laserveld met een chiraal molecuul creëert wat we een veldgeïnduceerd diastereomeer noemen, " legt co-auteur Emil Zak van DESY uit. Diastereomeren zijn verschillende configuraties van dezelfde verbinding die geen spiegelversies van elkaar zijn. De verschillende kenmerken van diastereomeren kunnen worden gebruikt om de enantiomeren in de ruimte te scheiden. "Belangrijk is dat onze aanpak is controleerbaar en we kunnen de productie van de ene enantiomeer verhogen door simpelweg de tijdsduur te veranderen die de moleculen besteden aan interactie met het laserveld, ", voegt co-auteur Alec Owens van University College London toe.

Het schema is computationeel gedemonstreerd op het prototypische chirale molecuul propyleenoxide (C3H6O), wat overigens ook het eerste complexe organische chirale molecuul was dat in de interstellaire ruimte werd gedetecteerd. Er worden nu inspanningen geleverd om experimenten uit te voeren bij DESY en te profiteren van de elektrostatische deflectietechnieken die zijn ontwikkeld in de Controlled Molecule Imaging-groep onder leiding van Jochen Küpper van het Center for Free-Electron Laser Science CFEL, een gezamenlijke instelling van DESY, Max Planck-vereniging, en Universität Hamburg.

"Het manipuleren van chirale moleculen in de gasfase ondergaat een periode van opwindende ontwikkeling, zowel voor praktische toepassingen in de industrie, en voor het verschaffen van nieuwe inzichten in wat een zeer fundamenteel aspect van de natuur is, " zegt Yachmenev. "De oorsprong van chiraliteit en de handigheid van het leven is een van de grote mysteries, maar we komen geleidelijk dichter bij een dieper en vollediger begrip."