(Phys.org) —In chemische reacties, links en rechts kan een groot verschil maken. Een "linkshandig" molecuul met een bepaalde chemische samenstelling kan een effectief medicijn zijn, terwijl zijn spiegelbeeldige "rechtshandige" tegenhanger volledig inactief zou kunnen zijn. Dat is omdat, in de biologie, "links" en "rechts" moleculaire ontwerpen zijn cruciaal:levende organismen worden alleen gemaakt van linkshandige aminozuren. Dus de twee uit elkaar houden is belangrijk, maar moeilijk.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de Universiteit van Ohio heeft een nieuwe, eenvoudigere manier om moleculaire handigheid te onderscheiden, bekend als chiraliteit. Ze gebruikten goud-en-zilver kubieke nanodeeltjes om het verschil in de reactie van links- en rechtshandige moleculen op een bepaald soort licht te versterken. De studie, beschreven in het journaal NanoLetters , biedt de basis voor een nieuwe manier om de effecten van handigheid in moleculaire interacties met ongekende gevoeligheid te onderzoeken.

"Onze ontdekking en methoden op basis van dit onderzoek kunnen zeer nuttig zijn voor de karakterisering van biomoleculaire interacties met geneesmiddelen, indringende eiwitvouwing, en in andere toepassingen waar stereometrische eigenschappen belangrijk zijn, " zei Oleg Gang, een onderzoeker bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials en hoofdauteur van het papier. "We zouden dezelfde benadering kunnen gebruiken om conformationele veranderingen in biomoleculen onder verschillende omgevingsomstandigheden te volgen, zoals temperatuur - en ook om nano-objecten te fabriceren die een chirale reactie op licht vertonen, die vervolgens kunnen worden gebruikt als nieuwe soorten sensoren op nanoschaal."

De wetenschappers wisten dat links- en rechtshandige chirale moleculen anders zouden interageren met "circulair gepolariseerd" licht - waarbij de richting van het elektrische veld rond de as van de straal roteert. Dit idee is vergelijkbaar met de manier waarop gepolariseerde zonnebrillen gereflecteerde schittering wegfilteren, in tegenstelling tot gewone lenzen.

Andere wetenschappers hebben dit verschil ontdekt, genaamd "circulair dichroïsme, " in spectroscopische "vingerafdrukken" van organische moleculen - gedetailleerde kaarten van de golflengten van licht dat door het monster wordt geabsorbeerd of gereflecteerd. Maar voor de meeste chirale biomoleculen en veel organische moleculen, dit "CD"-signaal bevindt zich in het ultraviolette bereik van het elektromagnetische spectrum, en het signaal is vaak zwak. De tests vereisen dus aanzienlijke hoeveelheden materiaal in onpraktisch hoge concentraties.

Het team werd aangemoedigd om een ​​manier te vinden om het signaal te verbeteren door recente experimenten die aantoonden dat het koppelen van bepaalde moleculen aan metalen nanodeeltjes hun reactie op licht aanzienlijk zou kunnen vergroten. Theoretisch werk suggereerde zelfs dat deze zogenaamde plasmonische deeltjes - die een collectieve oscillatie van de geleidende elektronen van het materiaal veroorzaken, wat leidt tot een sterkere absorptie van een bepaalde golflengte - kan het signaal in het zichtbare lichtgedeelte van de spectroscopische vingerafdruk stoten, waar het gemakkelijker zou zijn om te meten.

De groep experimenteerde met verschillende vormen en samenstellingen van nanodeeltjes, en ontdekte dat kubussen met een gouden centrum omringd door een zilveren omhulsel niet alleen een chiraal optisch signaal in het bijna zichtbare bereik kunnen weergeven, maar nog opvallender, waren effectieve signaalversterkers. Voor hun testbiomolecuul, ze gebruikten synthetische DNA-strengen - een molecuul dat ze kenden als "lijm" om nanodeeltjes aan elkaar te plakken.

Toen DNA aan de met zilver beklede nanokubussen werd bevestigd, het signaal was ongeveer 100 keer sterker dan voor vrij DNA in de oplossing. Dat is, de kubieke nanodeeltjes stelden de wetenschappers in staat om het optische signaal van de chirale moleculen te detecteren (waardoor ze "zichtbaar" werden) bij 100 keer lagere concentraties.

"Dit is een zeer grote optische versterking ten opzichte van wat eerder werd waargenomen, " zei Fang Lu, de eerste auteur op het papier.

De waargenomen versterking van het circulaire dichroïsme-signaal is een gevolg van de interactie tussen de plasmonische deeltjes en de "exciton, " of energieabsorberend, elektronen in het DNA-nanokubuscomplex, legden de wetenschappers uit.

"Dit onderzoek zou kunnen dienen als een veelbelovend platform voor ultragevoelige detectie van chirale moleculen en hun transformaties in synthetische, biomedisch, en farmaceutische toepassingen, ' zei Lu.

"In aanvulling, " zei Bende, "onze aanpak biedt een manier om te fabriceren, door zelfmontage, discrete plasmonische nano-objecten met een chirale optische respons van structureel niet-chirale nanocomponenten. Deze chirale plasmonische objecten kunnen het ontwerp van metamaterialen en nano-optica aanzienlijk verbeteren voor toepassingen in het oogsten van energie en optische telecommunicatie."