Le molecole prodotte in laboratorio hanno spesso uno svantaggio che la natura evita misteriosamente. Il problema è che molte molecole sono chirali, il che significa che hanno una struttura asimmetrica. Una conseguenza della chiralità è che quando sintetizziamo una molecola chirale spesso facciamo anche il suo doppelganger, un'immagine speculare della molecola desiderata. I due possono sembrare simili ma, come la mano destra e sinistra, non sono intercambiabili.

A seconda della manualità, la molecola limonene odora di arance o trementina, l'ibuprofene può essere quattro volte più potente e il talidomide cura le nausee mattutine o porta a gravi difetti alla nascita.

"Circa il 50 percento dei farmaci e il 30 percento dei prodotti agrochimici sono chirali, il che significa che possono essere mancini o destrimani. Di quelli, più del 90% viene venduto come miscele di molecole con entrambe le mani perché è così difficile separarle, "ha detto Jennifer Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford University. I normali metodi chimici per separare le molecole - per mantenere la versione buona ed eliminare quelle cattive - sono costosi, dispendioso in termini di tempo o inefficiente.

Il laboratorio di Dionne ha ora mostrato un approccio promettente per la separazione delle molecole chirali. Si tratta di un filtro nanostrutturato che, quando illuminato con un laser, attira l'esemplare con una mano mentre respinge la sua immagine speculare. Il team ha pubblicato questa tecnica nel numero del 25 settembre di Nanotecnologia della natura .

Una leggera stretta di mano

La luce focalizzata può cambiare lo slancio di un oggetto. Questo effetto è stato utilizzato per creare strumenti incredibili, chiamate pinzette ottiche, che consentono agli scienziati di manipolare le particelle con fasci di luce altamente focalizzati. (È stato il suo lavoro con le pinzette ottiche che ha fatto guadagnare a Steven Chu, professore di fisica a Stanford e professore di fisiologia molecolare e cellulare alla Stanford School of Medicine, il Premio Nobel per la Fisica nel 1997.) Sebbene l'idea di separare le forme chirali con le pinzette sia sembrata allettante, molte delle molecole che vogliamo prendere di mira sono troppo piccole per essere separate direttamente dalle forze ottiche.

Yang Zhao, un borsista post-dottorato nel laboratorio Dionne, ha superato questa debolezza creando una nanostruttura che consente alla luce polarizzata circolarmente di interagire più fortemente con i piccoli campioni. Il percorso della luce nella nanostruttura mappa una spirale in una direzione ma non nell'altra. Una volta che la luce chirale è passata attraverso questo percorso, interagisce con le molecole che completano la sua forma e le tira verso il basso.

I ricercatori hanno testato il loro prototipo misurando le forze esercitate sui campioni chirali. Hanno costruito uno strumento chiamato microscopio ottico chirale a forza, che combina le pinzette ottiche con un microscopio a forza atomica (AFM), uno strumento in grado di risolvere la struttura chimica di una singola molecola. Una punta AFM chirale fungeva da campione chirale e, allo stesso tempo, mappato le forze specifiche per la manualità della punta. Hanno dimostrato che le forze ottiche prodotte dalle loro pinzette sono abbastanza forti da separare alcune molecole chirali.

Costruire il filtro ottico

Il team non ha ancora testato le pinzette su molecole chirali reali, ma Zhao ha iniziato a quantificare le forze che sono in grado di applicare al DNA ea determinate proteine. Queste molecole chirali hanno una manualità specifica in natura ma possono essere entrambe manuali se prodotte in laboratorio.

Il prossimo passo sarà assemblare le loro pinzette in una sorta di filtro in grado di separare due forme di un farmaco o altre molecole.

"Metteremo molte di queste nanostrutture su un chip microfluidico dove può essere introdotto un farmaco di interesse, " disse Zhao. "Se funziona come vogliamo, dovremmo essere in grado di separare la droga dopo l'illuminazione."

Oltre a selezionare i farmaci per renderli più sicuri o più efficaci, i ricercatori pensano che le loro pinzette potrebbero essere utilizzate per altri usi, come monitorare il ripiegamento o lo spiegamento di una proteina o consentire la sintesi mediata dalla luce di sostanze chimiche chirali.