I ricercatori del gruppo di fotonica molecolare del Van "t Hoff Institute for Molecular Sciences presso l'Università di Amsterdam hanno notevolmente migliorato la determinazione sperimentale della chiralità o "mano" delle molecole utilizzando la spettroscopia di dicroismo circolare vibrazionale (VCD). Impiegando un algoritmo genetico sono stati in grado di "domare" le incertezze nell'analisi VCD derivanti dal fatto che le molecole flessibili possono adottare molte conformazioni strutturali.Il loro miglioramento potrebbe vedere VCD applicato su larga scala, ad esempio come strumento per lo screening ad alto rendimento di composti farmaceutici o il monitoraggio in tempo reale dei processi (bio)chimici.

Il team guidato dal professor Wybren Jan Buma pubblica il suo nuovo metodo VCD nel numero del 7 settembre di Scienze chimiche , la rivista di punta della Royal Society of Chemistry.

Secondo il primo autore Ph.D. studente Mark Koenis, "Ora è possibile determinare la manualità delle molecole in modo molto più affidabile e con misure quantitative migliori rispetto a prima".

Nella loro carta, Buma e collaboratori dimostrano il loro nuovo approccio, fra gli altri, da studi sul citronellale. È un tipico esempio della classe di molecole che fino ad ora ha posto sfide, spesso insormontabili, all'analisi VCD. è chirale, il che significa che può esistere come due strutture molecolari che sono immagini speculari non sovrapponibili l'una dell'altra, proprio come una mano destra e una mano sinistra. È anche una molecola molto flessibile e dinamica che può adottare molte diverse strutture spaziali, chiamate conformazioni.

La variazione spaziale confonde la determinazione della chiralità

Essendo chirale, il citronellale rappresenta una classe di molecole di grande rilevanza biochimica e farmaceutica. Poiché molte molecole biologiche (proteine, enzimi, recettori, e così via) sono chirali, la "mano" delle molecole chirali determina le loro interazioni biologiche. Nel caso del citronellale, le sue strutture specchio chirali (chiamate enantiomeri) differiscono nell'interazione con i recettori olfattivi in ​​modo che la molecola "mancino" odora di arance e la sua controparte "destrimana" di limoni. In molte altre molecole, l'effetto della chiralità può essere molto più drammatico. Nelle applicazioni farmaceutiche, Per esempio, un enantiomero di un farmaco può avere un effetto terapeutico benefico, mentre l'altro ha conseguenze biologiche dannose.

Essere flessibili e dinamici, citronellal illustra le sfide della determinazione della chiralità mediante spettroscopia VCD. Il VCD fa uso di luce polarizzata circolarmente che di fatto mostra una "mano" nella differenza tra la polarizzazione circolare sinistra e destra. Così, permette di distinguere tra le molecole levogire e quelle destrorse. La tecnica sofisticata produce un'impronta digitale spettroscopica che è unica per ogni molecola e persino per ogni immagine speculare della stessa molecola. Infatti, a tutti gli effetti pratici, VCD è l'unica tecnica in grado di distinguere tra enantiomeri in condizioni reali.

l'intoppo, però, è questo, proprio come il citronellale, molte molecole sono flessibili e dinamiche, adottando molte diverse strutture spaziali. Ogni struttura ha la propria impronta digitale in modo che uno spettro VCD effettivo sia il totale di tutte le impronte digitali di tutte le varianti molecolari spaziali presenti nel campione. Aggiungendo a questo, più stabile, le varianti a bassa energia saranno più presenti di quelle a più alta energia così che non tutte le varianti contribuiscono allo stesso modo allo spettro VCD. La libertà strutturale costituisce quindi un serio problema per determinare la chiralità in questi casi.

Algoritmo genetico

La soluzione consueta nell'analisi VCD è determinare tutte le possibili conformazioni della molecola in esame, calcolare le loro energie e le corrispondenti impronte digitali, e quindi fare la media di questi singoli componenti e confrontare lo spettro risultante con lo spettro VCD sperimentale.

Questo è, però, molto meno netto di quanto possa sembrare. Sono disponibili molti metodi per il calcolo delle energie delle varie strutture spaziali, da molto semplice a molto avanzato. Secondo Buma, "Nel peggiore dei casi, potrebbe essere che un tipo di calcolo porterebbe alla conclusione che la molecola ha un particolare tipo di manualità, mentre un altro tipo di calcolo porterebbe alla conclusione opposta."

Il suo team ha ora notevolmente migliorato la strategia "calcola e confronta" prendendo esplicitamente in considerazione l'incertezza nelle energie calcolate. Utilizzando un algoritmo genetico che utilizza i principi dell'evoluzione e della "sopravvivenza del più adatto" hanno potuto regolare i contributi delle varie impronte digitali in modo tale da ottenere il miglior accordo con lo spettro VCD sperimentale. "La bellezza del nostro approccio è che la manualità corretta porta sempre a un migliore accordo con i dati sperimentali rispetto alla manualità opposta, " dice Koenis. "Ancora più importante, ci consente di presentare una misura quantitativa dell'affidabilità dell'assegnazione del VCD."

Aumentare le opportunità di applicazione

L'algoritmo genetico non è stato testato solo su citronellale ma anche su deidrochinidina, una molecola chirale che rappresenta uno scenario peggiore perché mostra grandi cambiamenti strutturali dinamici.

Inoltre, lo spettro VCD della deidrochinidina è sperimentalmente molto più difficile da ottenere e lo spettro disponibile è quindi di qualità molto inferiore a quanto normalmente previsto. I risultati mostrano che anche per molecole così difficili il nuovo approccio è di gran lunga superiore a tutti i metodi esistenti per l'assegnazione della configurazione assoluta.

I ricercatori si aspettano che il loro miglioramento dell'affidabilità del VCD come strumento analitico renda a portata di mano applicazioni come il controllo di qualità nella produzione di ingredienti farmaceutici. Hanno già eseguito studi per determinare i livelli di impurità chirali utilizzando VCD. "Abbiamo anche dimostrato che problemi notoriamente difficili come le molecole con molti centri chirali possono essere affrontati, " dice Buma. Considerato che il VCD è sperimentalmente più semplice ed economico di altre tecniche, prevede crescenti opportunità di applicazione della tecnica sia nello sviluppo che nella produzione su larga scala di molecole chirali.