Moleculen die in laboratoria zijn gemaakt, hebben vaak een keerzijde die de natuur op mysterieuze wijze vermijdt. Het probleem is dat veel moleculen chiraal zijn, wat betekent dat ze een asymmetrische structuur hebben. Een gevolg van chiraliteit is dat wanneer we een chiraal molecuul synthetiseren, we ook vaak zijn dubbelganger maken, een spiegelbeeld van het beoogde molecuul. De twee lijken misschien op elkaar, maar zoals de rechter- en linkerhand, ze zijn niet uitwisselbaar.

Afhankelijk van de handigheid, het molecuul limoneen ruikt naar sinaasappels of terpentijn, ibuprofen kan vier keer krachtiger zijn en thalidomide behandelt ochtendmisselijkheid of leidt tot ernstige geboorteafwijkingen.

"Ongeveer 50 procent van de medicijnen en 30 procent van de landbouwchemicaliën zijn chiraal, wat betekent dat ze links- of rechtshandig kunnen zijn. Van deze, meer dan 90 procent wordt verkocht als mengsels van moleculen met twee handen omdat het zo moeilijk is om ze te scheiden, " zei Jennifer Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de Stanford University. De normale chemische methoden om moleculen te scheiden - om de goede versie te behouden en de slechte te verwijderen - zijn duur, tijdrovend of inefficiënt.

Dionne's lab heeft nu een benadering getoond die veelbelovend is voor het scheiden van chirale moleculen. Het gaat om een ​​nanogestructureerd filter dat, wanneer verlicht met een laser, trekt éénhandig exemplaar aan terwijl het zijn spiegelbeeld afstoot. Het team publiceerde deze techniek in het nummer van 25 september van Natuur Nanotechnologie .

Een lichte handdruk

Gefocust licht kan het momentum van een object veranderen. Dit effect is gebruikt om ongelooflijke tools te creëren, optische pincet genoemd, waarmee wetenschappers deeltjes kunnen manipuleren met zeer gerichte lichtstralen. (Het was zijn werk met optische pincetten dat Steven Chu verdiende, hoogleraar natuurkunde aan Stanford en hoogleraar moleculaire en cellulaire fysiologie aan de Stanford School of Medicine, de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1997.) Hoewel het idee om chirale vormen uit elkaar te trekken aantrekkelijk leek, veel van de moleculen waarop we ons willen richten, zijn te klein om rechtstreeks door optische krachten uit elkaar te worden getrokken.

Yang Zhao, een postdoctoraal onderzoeker in het Dionne-lab, overwon die zwakte door een nanostructuur te creëren waarmee circulair gepolariseerd licht sterker kan interageren met kleine exemplaren. Het lichtpad in de nanostructuur brengt een spiraal in de ene richting in kaart, maar niet in de andere. Zodra het chirale licht door dit pad is gegaan, het interageert met moleculen die zijn vorm aanvullen en trekt die naar beneden.

De onderzoekers testten hun prototype door de krachten te meten die op chirale exemplaren werden uitgeoefend. Ze bouwden een tool genaamd een chirale optische krachtmicroscoop, die het optische pincet combineert met een atomic force microscope (AFM), een hulpmiddel dat in staat is om de chemische structuur van een enkel molecuul op te lossen. Een chirale AFM-tip diende als het chirale monster en, tegelijkertijd, bracht de krachten in kaart die specifiek zijn voor de handigheid van de tip. Ze toonden aan dat de optische krachten die door hun pincet worden geproduceerd sterk genoeg zijn om bepaalde chirale moleculen te scheiden.

Het optische filter bouwen

Het team heeft het pincet nog niet getest op echte chirale moleculen, maar Zhao is begonnen met het kwantificeren van de krachten die ze kunnen toepassen op DNA en bepaalde eiwitten. Deze chirale moleculen hebben een specifieke handigheid in de natuur, maar kunnen beide handigheid zijn als ze in een laboratorium worden geproduceerd.

De volgende stap is het samenvoegen van hun pincet tot een soort filter dat twee vormen van een medicijn of andere moleculen kan scheiden.

"We zullen veel van deze nanostructuren op een microfluïdische chip plaatsen waar een interessant medicijn kan worden geïntroduceerd, " zei Zhao. "Als het werkt zoals we willen, we zouden in staat moeten zijn om het medicijn te laten scheiden bij verlichting."

Naast het sorteren van medicijnen om ze veiliger of effectiever te maken, de onderzoekers denken dat hun pincet voor andere doeleinden kan worden gebruikt, zoals het volgen van het vouwen of ontvouwen van een eiwit of het mogelijk maken van door licht gemedieerde synthese van chirale chemicaliën.