Questo grafico mostra gli spettri di dicroismo circolare terahertz di cinque diverse marche di l-carnosina. Mentre tre campioni mostrano lo stesso schema di picchi, la misurazione suggerisce possibili differenze rispetto ai restanti due campioni. Credito:Wonjin Choi, Kotov Lab, Università del Michigan
Non è facile essere sicuri che farmaci e integratori con strutture contorte o chirali stiano girando nella direzione corretta. Ora, la luce infrarossa roteante può sondare sia le strutture dei cristalli molecolari che le loro torsioni, ha dimostrato una ricerca condotta dall'Università del Michigan.
I ricercatori sperano che la tecnica possa anche aiutare a diagnosticare accumuli dannosi di molecole contorte nel corpo, inclusi calcoli alla vescica, fibrille di insulina e aggregazioni amiloidi come le placche che compaiono nel morbo di Alzheimer.
In un mondo di molecole arricciate, la biologia spesso predilige le versioni destre o mancine. Camminando lungo il corridoio supplementare, potresti notare che alcuni hanno una L o una D davanti ai nomi. L e D denotano la direzione in cui la molecola ruota, in senso orario o antiorario:il corpo umano in genere utilizza solo una versione. Molecole con la svolta sbagliata possono essere riempitivi fastidiosi o causare effetti collaterali che possono essere spiacevoli o pericolosi. Ma il controllo di qualità per le molecole contorte è difficile e il monitoraggio delle strutture chirali di farmaci e integratori conservati in deposito di solito non viene eseguito.
"I metodi più comunemente usati nelle aziende farmaceutiche sono molto sensibili alle impurità, ma misurare la chiralità è costoso", ha affermato Wonjin Choi, ricercatore in ingegneria chimica presso l'UM e primo autore dell'articolo in Nature Photonics .
Il nuovo metodo è in grado di riconoscere rapidamente torsioni errate e strutture chimiche errate nei farmaci confezionati utilizzando radiazioni terahertz, una porzione della parte infrarossa dello spettro. È stato sviluppato da un team internazionale, tra cui ricercatori dell'Università Federale di São Carlos, Brasile; Laboratorio Nazionale delle Biorinnovabili Brasiliane; Università di Notre Dame; e la Michigan State University.
"Le biomolecole supportano vibrazioni di torsione a lungo raggio note anche come fononi chirali. Queste vibrazioni sono molto sensibili alla struttura delle molecole e ai loro assemblaggi su nanoscala, creando l'impronta digitale di una particolare struttura chirale", ha affermato Nicholas Kotov, il distinto professore universitario di Irving Langmuir di Scienze Chimiche e Ingegneria presso UM e co-autore corrispondente.
Il team è stato in grado di misurare questi fononi negli spettri di luce terahertz contorta che è passata attraverso i materiali testati. Uno di questi, la L-carnosina, è attualmente utilizzato come integratore alimentare.
"Se la torsione della molecola è sbagliata, se la torsione nel modo in cui le molecole si raggruppano non è corretta, o se sono stati mescolati materiali diversi, tutto ciò potrebbe essere dedotto dagli spettri", ha detto Kotov.
John Kruger, professore di medicina veterinaria alla Michigan State University e coautore dell'articolo, ha fornito calcoli alla vescica dai cani e il team ha scoperto la loro firma chirale. Il team spera che i risultati possano aiutare a consentire una diagnostica rapida per gli animali domestici e forse in seguito per gli esseri umani. Inoltre, hanno studiato l'insulina mentre si trasformava in nanofibre che la rendono inattiva. Se la tecnologia della luce terahertz può essere adattata all'assistenza sanitaria domiciliare, potrebbe verificare la qualità dell'insulina.
Il team ha anche esplorato il modo in cui la luce può influenzare le strutture, anziché limitarsi a misurarle. I calcoli effettuati da André Farias de Moura, professore di chimica all'Università Federale di São Carlos e co-autore corrispondente, mostrano che più biomolecole si attorcigliano e vibrano vigorosamente quando la luce terahertz genera fononi chirali.
"Prevediamo nuove strade da percorrere, ad esempio utilizzando onde terahertz con polarizzazione su misura per manipolare grandi assemblaggi molecolari. Potrebbe sostituire le microonde in molte applicazioni di sintesi in cui la manualità delle molecole è importante", ha affermato de Moura.
Sulla base dei calcoli di de Moura, Kotov e Choi ritengono che le vibrazioni torcenti dei fononi chirali causate dalla luce terahertz possano rendere le nanofibre che causano malattie più vulnerabili agli interventi medici. Il lavoro futuro esplorerà se tale interazione può essere utilizzata per dividerli. + Esplora ulteriormente
