I chimici potrebbero essere pronti ad abbandonare la venerabile provetta, il simbolo stesso della chimica nella mente di molte persone? Forse non ancora del tutto, ma Jack Beauchamp del Caltech ci sta lavorando.

Beauchamp sta lavorando in quella che chiama chimica "laboratorio in una goccia", in cui le reazioni chimiche vengono eseguite all'interno di una goccia di liquido sospesa a mezz'aria tramite levitazione acustica.

La levitazione acustica funziona creando aree di alta e bassa pressione nell'aria attraverso l'uso di trasduttori ad ultrasuoni. Questi trasduttori si comportano come altoparlanti minuscoli ma potenti che operano a una frequenza superiore a quella udibile dall'orecchio umano. L'energia sonora emessa da questi trasduttori è focalizzata in modo tale che le zone di alta e bassa pressione che creano formino "trappole" che possono trattenere piccoli oggetti nell'aria. Un oggetto posto in una delle zone di bassa pressione è trattenuto lì dalle zone di alta pressione che lo circondano. Un levitatore acustico di questo tipo può essere costruito per circa $ 75 da parti standard utilizzando tecniche di stampa 3D.

In un nuovo documento, Beauchamp e i suoi colleghi descrivono l'uso della tecnica per studiare come funziona un farmaco per il cancro della pelle a livello chimico. La ricerca, lui dice, rappresenta il primo utilizzo di successo della levitazione acustica come reattore "senza pareti" in uno studio dettagliato delle reazioni chimiche.

Nel lavoro, Beauchamp e il suo team hanno ricoperto una goccia d'acqua con lipidi, biomolecole che compongono le membrane cellulari. Hanno quindi applicato un farmaco antitumorale alla gocciolina e hanno utilizzato uno spettrometro di massa per "annusare" la firma chimica emessa dalla gocciolina mentre il farmaco reagiva con il lipide quando illuminato da un puntatore laser rosso.

Nell'esperimento, i ricercatori hanno aggiunto una piccola quantità di uno dei due lipidi, cardiolipina e POPG (1-palmitoil-2-oleoil-sn-glicero-3-fosfo-(1'-rac-glicerolo)), ad ogni goccia d'acqua. I lipidi migrano sulla superficie della gocciolina, dove si sono organizzati per formare un film sottile che è simile nella composizione alla membrana cellulare di una cellula vivente.

Con la membrana stabilita, una sostanza chimica chiamata temoporfin è stata aggiunta alla gocciolina. Temoporfina, una molecola ad anello, è eccitato dalla luce rossa. In questo stato, la temoporfina cede energia all'ossigeno molecolare, formando uno stato elettronico eccitato che ossida facilmente le molecole con cui entra in contatto, compresi quelli che costituiscono le membrane cellulari. Questo rende il temoporfin utile come trattamento per alcuni tumori della pelle. Un medico potrebbe applicare il farmaco su una lesione cancerosa e poi illuminarla con una luce rossa, che traspare facilmente attraverso i tessuti. Mentre il composto è illuminato ed eccitato, ossida i materiali cellulari vitali, compresi i lipidi, proteine, e acidi nucleici, innescando la morte cellulare.

Era questo processo per uccidere il cancro che Beauchamp voleva studiare. "Quando fai questa chimica, ti piacerebbe poter effettuare queste reazioni in condizioni in cui non hai alcun contatto del liquido con le superfici, " dice. "Raggiungiamo questo obiettivo eseguendo la chimica in una gocciolina levitata".

Il levitatore acustico ha permesso a Beauchamp e al suo team di sospendere a mezz'aria una goccia d'acqua di 1 millimetro contenente una miscela di lipidi e temoporfina. La goccia è stata quindi illuminata da luce laser rossa, eccitando la temoporfina e inducendola ad ossidare le molecole dello strato di membrana.

Poiché questa ossidazione si stava verificando, una coppia di elettrodi ad alta tensione posizionati vicino alla gocciolina hanno estratto minuscole quantità di materiale dalla gocciolina e nel sensore di uno spettrometro di massa, che ha fornito letture che hanno permesso ai ricercatori di dedurre le strutture molecolari dei composti all'interno della goccia. Monitorando continuamente queste letture, i ricercatori sono stati in grado di vedere come i composti sulla superficie diventassero progressivamente più ossidati. Osservando questi prodotti di reazione, Beauchamp afferma che il team di ricerca potrebbe determinare come funzionano i processi di ossidazione.

"Per quanto ne so, siamo le uniche persone che fanno una chimica seria in questo modo, esaminando la cinetica e il meccanismo delle reazioni coinvolte", afferma Beauchamp.

La levitazione acustica potrebbe trovare impiego anche in altri campi, lui dice. Come esempio, cita la ricerca di Joe Parker del Caltech, un assistente professore di biologia e ingegneria biologica che studia la relazione simbiotica tra alcune specie di formiche e coleotteri. Beauchamp afferma che sarebbe possibile far levitare una formica e uno scarabeo l'uno vicino all'altro e quindi utilizzare l'apparato per analizzare i feromoni che emettono.

La tecnica potrebbe avere anche altre applicazioni. In studi collaborativi con John Seinfeld del Caltech, Louis E. Nohl Professore di ingegneria chimica, Beauchamp ha precedentemente rivelato i dettagli della complessa chimica ambientale che porta alla formazione di aerosol organici nell'atmosfera in studi utilizzando goccioline appese all'estremità di un capillare. Con la nuova metodologia di levitazione, quel capillare non sarebbe più necessario.

Il documento che descrive la ricerca di Beauchamp, intitolato "Studio spettrometrico di massa di goccioline levitate acusticamente illumina il meccanismo a livello molecolare della terapia fotodinamica per il cancro che coinvolge l'ossidazione dei lipidi, " appare nel numero del 23 aprile di Angewandte Chemie .