Descoperirea care ar putea revoluționa industria farmaceutică. Oamenii de știință sunt uimiți de rezultatele noului studiu

Profesorul Alexander Govorov de la Departamentul de Fizică și Astronomie și Institutul Nanoscalei și Fenomenelor Cuantice (NQPI) din cadrul Colegiului de Arte și Științe (NQPI) din cadrul Universității Ohio a participat la realizarea unui nou studiu, publicat în revista „Science Advances”, alături de colaboratori de la Universitatea din Wuhan – China și Institutul Italian de Tehnologie din Italia.

Descoperirea care ar putea revoluționa industria farmaceutică

Studiul, „Detecția chirală ultrasensibilă prin chiroptică neliniară în metastructurile plasmonice spiralate depășește limitele liniare”, abordează o problemă majoră din analiza chimică și biologică: detectarea chiralității moleculare sau a „lateralității”, scrie phys.org.

Chiralitatea joacă un rol esențial în procesele biochimice și producția de medicamente, dar, din păcate, măsurătorile chiroptice convenționale produc adesea semnale slabe care îngreunează detectarea sensibilă.

Majoritatea substanțelor chimice chirale (enantiomeri) sunt sintetizate atât în ​​forme legomice, cât și dextromice. Adesea, doar un enantiomer este biologic activ, în timp ce celălalt poate fi ineficient sau chiar dăunător. Un exemplu clasic este talidomida, în care un enantiomer oferă efecte sedative și anti-greață, în timp ce celălalt poate provoca malformații congenitale.

Pentru a depăși această limitare, echipa de cercetare a dezvoltat metastructuri plasmonice spiralate din aur special concepute, care amplifică atât câmpurile electrice, cât și cele optice „superchirale”. Structurile îmbunătățesc procesele optice neliniare, în special generarea de armonice secunde polarizate circular, creând un semnal optic extrem de sensibil atunci când moleculele chirale interacționează cu suprafețele lor.

Platforma rezultată a atins o limită de detecție de aproximativ 11 picomolari pentru albumina serică bovină adsorbită și o cifră de merit de până la 3.260 μM⁻¹, plasând sistemul printre senzorii plasmonici chirali cu cea mai mare performanță raportați.

O caracteristică deosebit de importantă este capacitatea sistemului de a distinge între diferiți enantiomeri chiar și atunci când sunt prezenți împreună într-un amestec racemic. Structurile spiralate stângaci și dreptaci interacționează preferențial cu formele moleculare corespunzătoare, permițând cuantificarea compoziției enantiomerilor fără a separa mai întâi moleculele cromatografic. Această capacitate ar putea contribui în cele din urmă la abordări mai rapide și mai compacte pentru analiza chirală în domenii precum industria farmaceutică, biotehnologia și controlul calității alimentelor.

Întrebări și răspunsuri cu profesorul Govorov

Î: Ce considerați a fi cel mai important progres științific al acestei lucrări și de ce detectarea chiroptică neliniară oferă avantaje față de abordările convenționale pentru detectarea chiralității moleculare?

Govorov: În acest studiu, detectarea chiralității devine neliniară. În mod tradițional, majoritatea metodelor de detectare chiroptică stabilite au fost liniare, inclusiv dicroismul circular convențional, sau CD, și spectroscopia de dispersie rotatorie optică, sau ORD, care sunt utilizate pe scară largă în cercetare și industrie.

Așadar, de ce poate fi abordarea neliniară mult mai sensibilă?

Cheia este amplificarea plasmonică puternică. În spectroscopia liniară, răspunsul optic îmbunătățit se scalează aproximativ ca (P), în timp ce în abordarea noastră CD neliniară, se scalează aproximativ ca (P2), unde (P) este factorul de amplificare electromagnetică plasmonică. Această scalare neliniară poate amplifica dramatic semnalele chiroptice moleculare foarte slabe și ne poate permite să detectăm chiralitatea la concentrații extrem de scăzute.

Î: Care sunt cele mai promițătoare aplicații viitoare ale acestei tehnologii, în special în domeniul farmaceutic, analizelor biomedicale și altor domenii în care este importantă distingerea preponderentei moleculare?

Govorov: O direcție deosebit de promițătoare este detectarea on-chip fiabilă și extrem de sensibilă a moleculelor și medicamentelor chirale. Scopul este detectarea rapidă folosind cantități foarte mici de material, potențial chiar direct în apă sau alte medii biologice.

Există multe aplicații posibile: dezvoltarea farmaceutică și controlul calității, analiza biomedicală, agricultura și monitorizarea mediului și studii criminalistice. Mai larg, această tehnologie ar putea fi utilă oriunde trebuie să identificăm preponderenta moleculară rapid, fiabil și la concentrații foarte scăzute.

Govorov este un pionier în bioplasmonica chirală, recunoscut pentru contribuții fundamentale, cum ar fi studiul istoric publicat în revista Nature din 2012 și investigații cheie asupra nanocristalelor coloidale chirale cu o puternică activitate chiroptică. Această linie de cercetare a devenit o piatră de temelie în nanochimia coloidală și sinteza nanomaterialelor controlate de lumină.

Bazându-se pe acest impuls, colaboratorii de la Universitatea din Ohio și Universitatea din Wuhan intenționează să continue dezvoltarea unor concepte comune și să scrie articole de sinteză cuprinzătoare în acest domeniu aflat în rapidă creștere.

Sursa foto: Unsplash / CC0 Public Domain / Envato (ilustrativ)