La resina secreta da una conifera danneggiata per proteggere il sito del danno ha una propria firma chirale caratteristica all'interno di quella delle emissioni complessive della pianta. Credito:Lykourgos Bougas
La firma chirale di una fragranza può rivelare se un profumo è genuino o falso. Allo stesso modo, la firma chirale delle emissioni di una pianta può fornire informazioni sul fatto che la pianta sia sana o malata. I ricercatori della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e del Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) hanno sviluppato un approccio innovativo in grado di identificare e monitorare tali firme chirali. La maggior parte delle sostanze chirali naturali si trovano in due forme di immagine speculare presenti in diverse quantità relative. Pertanto, ogni pianta e ogni profumo deve avere il proprio segno distintivo chirale. Utilizzando il loro nuovo approccio, il team di ricerca è stato in grado, per la prima volta, di identificare composti chirali all'interno di miscele complesse di gas con un alto livello di sensibilità e in tempo reale.
"La nostra nuova tecnica ha un potenziale enorme, in particolare nell'agricoltura e nell'industria chimica", ha affermato il dott. Lykourgos Bougas della JGU. Il professor Jonathan Williams di MPIC ha aggiunto che "oltre alle applicazioni commerciali, questa tecnica ci consentirà anche di decodificare i segnali chirali nell'aria intorno a noi, consentendoci di comprendere meglio la chimica dell'atmosfera". I partner che hanno collaborato hanno già richiesto un brevetto per la loro tecnica.
Gli odori naturali differiscono da quelli sintetici
La chiralità è una proprietà fondamentale della natura. Le nostre mani destra e sinistra ne sono una manifestazione. Ancora più importante, esistono diverse biomolecole in due forme di immagine speculare che non sono sovrapponibili, nello stesso modo in cui una mano destra non si adatta a un guanto mancino. Ciò può influenzare l'attività biochimica di queste molecole. Un esempio unico sono le emissioni delle piante. Questi contengono diversi composti chirali che sono naturalmente presenti in entrambe le forme chirali, gli isomeri D e L o gli enantiomeri. Un esempio lampante è la molecola chirale pinene, responsabile del caratteristico profumo di conifere e pini. I rapporti relativi dei due enantiomeri del pinene variano naturalmente nelle emissioni di tali piante, ma dipendono in modo critico dallo stato di salute della pianta.
Lo stesso principio vale nel caso di miscele complesse di componenti naturali e sintetici, come nel caso dei profumi. Eventuali ingredienti chirali si troveranno sia negli isomeri D che L, ma in quantità relative differenti, a seconda che provengano da fonti naturali o sintetiche. Poiché spesso i componenti naturali vengono sostituiti da sostanze sintetiche nei profumi falsi/contraffatti, i profumi falsi avranno una firma chirale diversa da quella degli originali.
Ricerca sotto l'egida del progetto ULTRACHIRAL finanziato dall'Unione Europea
I ricercatori di Magonza hanno sviluppato un metodo polarimetrico con cavità potenziata per l'analisi chirale ottica nell'ambito del progetto ULTRACHIRAL, sponsorizzato dall'UE. Sono stati in grado di rilevare i diversi effetti di rotazione ottica delle molecole chirali sotto luce polarizzata. Per questo hanno trasferito un campione di una pianta o di un profumo in una piccola camera che hanno esposto alla luce polarizzata. Hanno quindi utilizzato un nuovo polarimetro ottico sensibile alla chiralità per misurare con precisione e precisione la rotazione indotta della luce polarizzata. I ricercatori sono stati in grado di ottenere una sensibilità migliore di quella delle attuali apparecchiature all'avanguardia di diversi ordini di grandezza.
"Il nostro nuovo approccio di analisi chirale ci fornisce risultati precisi, più rapidi e con sensibilità migliori rispetto alle tecniche tradizionali, senza la necessità di alcuna calibrazione prima di ogni corsa di misurazione. Inoltre, la nostra tecnica è stata combinata per la prima volta con la gascromatografia per separare le singoli componenti in una miscela complessa. Di conseguenza, la forma chirale di ciascun costituente presente in una miscela complessa di gas può essere identificata direttamente e accuratamente", ha spiegato il fisico della JGU Dr. Lykourgos Bougas, autore principale del documento che è stato recentemente pubblicato in Progressi scientifici . Nella loro pubblicazione, il team di autori propone un'intera gamma di possibili nuove applicazioni per il loro metodo di rilevamento.
Tra questi c'è il controllo di qualità dei profumi, attualmente un processo particolarmente complesso in quanto i profumi contengono diverse centinaia o addirittura migliaia di diversi composti, naturali e sintetici. Per dimostrare l'efficacia della loro tecnica, i ricercatori hanno confrontato quattro autentici profumi commerciali di alta qualità con le loro contraffazioni a basso costo. Il team di Magonza è stato in grado di differenziare i profumi originali di alta qualità dalle loro imitazioni sulla base delle loro firme chirali con l'aiuto di un'unica rapida misurazione.
Potenziale utilizzo nella coltivazione delle colture per monitorare la salute delle piante e l'infestazione da parassiti
La tecnica potrebbe essere di notevole interesse anche nel campo dell'agricoltura. Prendendo una giovane pianta di conifere, il team è stato in grado di dimostrare che la firma chirale delle emissioni della pianta è cambiata improvvisamente non appena la pianta è stata danneggiata. Simili firme chirali sono già state osservate in piante soggette a siccità o malattie. Queste firme possono essere utilizzate nella pratica, ad esempio, per monitorare continuamente le piante coltivate e attivare un allarme se queste sono infestate da insetti, soffrono di carenza d'acqua o diventano malsane.
Il metodo può anche aiutare ad acquisire ulteriori informazioni sui processi fisici e chimici che si verificano nella nostra atmosfera. È noto che le foreste rilasciano nell'ambiente grandi quantità di composti organici volatili (VOC), molti dei quali sono chirali. Queste molecole non solo hanno un effetto sulla chimica e sulla fisica dell'aria che ci circonda, ma anche sul nostro clima. I COV possono anche essere le sostanze precursori di aerosol organici secondari che influenzano il bilancio della radiazione solare della Terra. "Siamo ancora in gran parte inconsapevoli del ruolo svolto dalla chiralità in tutti questi processi. Per comprendere meglio questo aspetto, abbiamo bisogno di nuovi strumenti e nuovi approcci, come quello fornito dalla nostra ricerca", ha concluso Bougas.
Per consentire un'implementazione più semplice del nuovo metodo nelle varie aree di applicazione, il Dr. Lykourgos Bougas e il Professor Jonathan Williams sperano che in futuro venga sviluppata una versione portatile del dispositivo. + Esplora ulteriormente
