Het is niet eenvoudig om er zeker van te zijn dat medicijnen en supplementen met verwrongen of chirale structuren in de juiste richting draaien. Nu kan twirling infrarood licht zowel de structuren van moleculaire kristallen als hun wendingen onderzoeken, heeft onderzoek onder leiding van de Universiteit van Michigan aangetoond.

De onderzoekers hopen dat de techniek ook kan helpen bij het diagnosticeren van schadelijke ophopingen van verdraaide moleculen in het lichaam, waaronder blaasstenen, insulinefibrillen en amyloïde-aggregaties zoals de plaques die voorkomen bij de ziekte van Alzheimer.

In een wereld van gekrulde moleculen geeft de biologie vaak de voorkeur aan rechts- of linkshandige versies. Als u door het gangpad van het supplement loopt, merkt u misschien dat sommige een L of D voor de namen hebben. L en D geven de richting aan waarin het molecuul draait, met de klok mee of tegen de klok in - het menselijk lichaam gebruikt meestal maar één versie. Moleculen met de verkeerde draai kunnen hinderlijke vullers zijn of bijwerkingen veroorzaken die onaangenaam of gevaarlijk kunnen zijn. Maar de kwaliteitscontrole van verdraaide moleculen is moeilijk, en het monitoren van de chirale structuren van medicijnen en supplementen die bewaard worden, wordt meestal niet gedaan.

"De methoden die het meest worden gebruikt bij farmaceutische bedrijven zijn erg gevoelig voor onzuiverheden, maar het meten van chiraliteit is duur", zegt Wonjin Choi, een onderzoeker in chemische technologie aan de U-M en eerste auteur van het artikel in Nature Photonics .

De nieuwe methode kan snel verkeerde wendingen en verkeerde chemische structuren in verpakte medicijnen herkennen met behulp van terahertz-straling, een deel van het infrarode deel van het spectrum. Het is ontwikkeld door een internationaal team, waaronder onderzoekers van de Federale Universiteit van São Carlos, Brazilië; Braziliaanse Biorenewables National Laboratory; Universiteit van Notre Dame; en Michigan State University.

"Biomoleculen ondersteunen draaiende, langeafstandsvibraties, ook bekend als chirale fononen. Deze trillingen zijn erg gevoelig voor de structuur van moleculen en hun nanoschaalassemblages, waardoor de vingerafdruk van een bepaalde chirale structuur ontstaat", zegt Nicholas Kotov, de Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering aan de UM en co-corresponderende auteur.

Het team was in staat om deze fononen te meten in de spectra van gedraaid terahertz-licht dat door geteste materialen ging. Een daarvan, L-carnosine, wordt momenteel gebruikt als voedingssupplement.

"Als de draaiing van het molecuul verkeerd is, als de draaiing in de manier waarop de moleculen zich verpakken niet goed is, of als er verschillende materialen zijn gemengd, kan dat allemaal worden afgeleid uit de spectra," zei Kotov.

John Kruger, hoogleraar diergeneeskunde aan de Michigan State University en co-auteur van het artikel, leverde blaasstenen van honden en het team ontdekte hun chirale handtekening. Het team hoopt dat de bevindingen kunnen helpen bij het snel diagnosticeren van huisdieren en misschien later mensen. Bovendien bestudeerden ze insuline terwijl het uitgroeide tot nanovezels die het inactief maken. Als de terahertz-lichttechnologie kan worden aangepast voor thuiszorg, zou het de kwaliteit van insuline kunnen verifiëren.

Het team onderzocht ook hoe licht structuren kan beïnvloeden, in plaats van ze alleen te meten. Berekeningen uitgevoerd door André Farias de Moura, hoogleraar scheikunde aan de Federale Universiteit van São Carlos en co-corresponderende auteur, tonen aan dat meerdere biomoleculen krachtig draaien en trillen wanneer terahertz-licht chirale fononen genereert.

"We voorzien nieuwe wegen - bijvoorbeeld het gebruik van terahertz-golven met aangepaste polarisatie om grote moleculaire assemblages te manipuleren. Het zou microgolven kunnen vervangen in veel synthesetoepassingen waarin de handigheid van de moleculen ertoe doet," zei de Moura.

Op basis van de Moura's berekeningen geloven Kotov en Choi dat de draaiende trillingen van chirale fononen veroorzaakt door terahertz-licht ziekteverwekkende nanovezels kwetsbaarder kunnen maken voor medische interventies. Toekomstig werk zal onderzoeken of die interactie kan worden gebruikt om ze te doorbreken. + Verder verkennen

Bio-geïnspireerde nanokatalysator leidt chirale reacties