Las moléculas fabricadas en laboratorios a menudo tienen un inconveniente que la naturaleza evita misteriosamente. El problema es que muchas moléculas son quirales, lo que significa que tienen una estructura asimétrica. Una consecuencia de la quiralidad es que cuando sintetizamos una molécula quiral, a menudo también hacemos su doppelganger, una imagen especular de la molécula deseada. Los dos pueden parecer similares pero, como la mano derecha e izquierda, no son intercambiables.

Dependiendo de la mano, la molécula de limoneno huele a naranjas o trementina, El ibuprofeno puede ser cuatro veces más potente y la talidomida trata las náuseas matutinas o provoca graves defectos de nacimiento.

"Aproximadamente el 50 por ciento de los medicamentos y el 30 por ciento de los agroquímicos son quirales, lo que significa que pueden ser zurdos o diestros. De aquellos, más del 90 por ciento se venden como mezclas de moléculas de ambas manos porque es muy difícil separarlas, "dijo Jennifer Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford. Los métodos químicos normales para separar moléculas, para mantener la versión buena y eliminar la mala, son costosos, requiere mucho tiempo o es ineficaz.

El laboratorio de Dionne ahora ha mostrado un enfoque que es prometedor para separar moléculas quirales. Se trata de un filtro nanoestructurado que, cuando se ilumina con un láser, atrae el espécimen de una mano mientras repele su imagen especular. El equipo publicó esta técnica en la edición del 25 de septiembre de Nanotecnología de la naturaleza .

Un ligero apretón de manos

La luz enfocada puede cambiar el impulso de un objeto. Este efecto se ha utilizado para crear herramientas increíbles, llamadas pinzas ópticas, que permiten a los científicos manipular partículas con haces de luz altamente enfocados. (Fue su trabajo con pinzas ópticas lo que le valió a Steven Chu, profesor de física en Stanford y profesor de fisiología molecular y celular en la Escuela de Medicina de Stanford, Premio Nobel de Física en 1997.) Aunque la idea de separar las formas quirales con pinzas ha parecido atractiva, muchas de las moléculas que queremos apuntar son demasiado pequeñas para que las fuerzas ópticas las separen directamente.

Yang Zhao, becario postdoctoral en el laboratorio Dionne, superó esa debilidad mediante la creación de una nanoestructura que permite que la luz polarizada circularmente interactúe más fuertemente con muestras pequeñas. La trayectoria de la luz en la nanoestructura mapea una espiral en una dirección pero no en la otra. Una vez que la luz quiral ha pasado por este camino, interactúa con moléculas que complementan su forma y las empuja hacia abajo.

Los investigadores probaron su prototipo midiendo las fuerzas ejercidas sobre muestras quirales. Construyeron una herramienta llamada microscopio de fuerza óptica quiral, que combina las pinzas ópticas con un microscopio de fuerza atómica (AFM), una herramienta capaz de resolver la estructura química de una sola molécula. Una punta de AFM quiral sirvió como muestra quiral y, al mismo tiempo, trazó las fuerzas específicas de la mano de la punta. Demostraron que las fuerzas ópticas producidas por sus pinzas son lo suficientemente fuertes como para separar ciertas moléculas quirales.

Construyendo el filtro óptico

El equipo aún no ha probado las pinzas en moléculas quirales reales, pero Zhao ha comenzado a cuantificar las fuerzas que pueden aplicar al ADN y ciertas proteínas. Estas moléculas quirales tienen una naturaleza manual específica, pero pueden ser ambas si se producen en un laboratorio.

El siguiente paso será ensamblar sus pinzas en una especie de filtro que puede separar dos formas de un fármaco u otras moléculas.

"Pondremos muchas de estas nanoestructuras en un chip de microfluidos donde se pueda introducir un fármaco de interés, "dijo Zhao." Si funciona como queremos, deberíamos poder separar la droga al encenderla ".

Además de clasificar los medicamentos para hacerlos más seguros o más efectivos, los investigadores piensan que sus pinzas podrían usarse para otros usos, como monitorear el plegamiento o desplegamiento de una proteína o permitir la síntesis de químicos quirales mediada por luz.