a Ilustraciones de dispositivos Rshort y Rlong. b Definición del ángulo de rotación θ. c Detalle de la porción de entrada de dispositivos fluídicos. Para lograr un enfoque 3D hidrodinámico concéntrico, se diseñó una aguja concéntrica de 2 mm de largo para administrar la solución inyectada a través de la entrada central en el centro del canal principal, mientras estaba rodeada por la vaina generada por las soluciones alimentadas a través de las entradas laterales. d Esquema de la agregación inducida por protonación de TPPS3 para dar agregados J intrínsecamente quirales (nota:en la caricatura de la porfirina, las bolas amarillas representan los anillos de fenilo que contienen o no el grupo sulfonato). e Representación 2D de las trayectorias del flujo secundario que se forma dentro de los dispositivos Rshort (izquierda) y Rlong (derecha), que muestra diferentes magnitudes relativas de los vórtices CW y CCW contrarrotantes en hélices de paso corto y largo. La porfirina se inyecta en el medio del canal (color rojo) rodeada por una vaina de solución ácida (región azul). Condiciones de contorno:TPPS3 15 µM en la entrada central, HCl 10 mM en las entradas laterales. Crédito:Sevim et al, Nature Communications (2022)
Si comparamos la mano derecha con la izquierda, podemos ver que estas son imágenes especulares, es decir, como formas simétricas reflejadas en un espejo, y no pueden superponerse entre sí. Esta propiedad es la quiralidad, una característica de la materia que juega con la simetría de las estructuras biológicas a diferentes escalas, desde la molécula de ADN hasta los tejidos del músculo cardíaco.
Ahora, un nuevo artículo publicado en la revista Nature Communications revela un nuevo mecanismo para transferir la quiralidad entre moléculas en el campo de la nanoescala, según un estudio liderado por el profesor de la UB Josep Puigmartí-Luis, de la Facultad de Química y del Instituto de Química Teórica y Computacional (IQTC) de la Universidad de Barcelona .
Quiralidad:de partículas fundamentales a biomoléculas
La quiralidad es una propiedad intrínseca de la materia que determina la actividad biológica de las biomoléculas. "La naturaleza es asimétrica; tiene una izquierda y una derecha y puede diferenciarlas. Las biomoléculas que forman la materia viva (aminoácidos, azúcares y lípidos) son quirales:están formadas por moléculas químicamente idénticas que son las especulares. imágenes entre sí (enantiómeros), característica que aporta diferentes propiedades como compuestos activos (actividad óptica, acción farmacológica, etc.)”, señala Josep Puigmartí-Luis, investigador ICREA y miembro del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física.
"Los enantiómeros son químicamente idénticos hasta que se colocan en un entorno quiral que puede diferenciarlos (como el zapato derecho 'reconoce' el pie derecho). Los sistemas vivos, hechos de moléculas homoquirales, son entornos quirales (con el mismo enantiómero), son quirales ambientales para que puedan 'reconocer' y responder de manera diferente a las especies enantioméricas. Además, pueden controlar fácilmente el signo quiral en los procesos bioquímicos dando transformaciones estereoespecíficas".
Cómo obtener moléculas quirales mediante reacciones químicas
El control de la quiralidad es decisivo en la producción de fármacos, pesticidas, aromas, sabores y otros compuestos químicos. Cada enantiómero (molécula con cierta simetría) tiene una cierta actividad que es diferente del otro compuesto químicamente idéntico (su imagen especular). En muchos casos, la actividad farmacológica de un enantiómero puede ser escasa y, en el peor de los casos, muy tóxica. "Por lo tanto, los químicos necesitan poder hacer compuestos como enantiómeros individuales, lo que se llama síntesis asimétrica", dice Puigmartí-Luis.
Existen varias estrategias para controlar el signo de la quiralidad en los procesos químicos. Por ejemplo, el uso de compuestos enantiopuros naturales conocidos como grupo quiral (por ejemplo, aminoácidos, hidroxiácidos, azúcares) como precursores o reactivos que pueden convertirse en un compuesto de interés después de una serie de modificaciones químicas. La resolución quiral es otra opción que permite separar enantiómeros mediante el uso de un agente de resolución enantioméricamente puro y recuperar los compuestos de interés como enantiómeros puros. El uso de auxiliares quirales que ayudan a un sustrato a reaccionar de forma diastereoselectiva es otra metodología eficiente para obtener un producto enantioméricamente puro. Por último, la catálisis asimétrica, basada en el uso de catalizadores asimétricos, es el procedimiento superior para alcanzar la síntesis asimétrica.
“Cada método descrito anteriormente tiene sus pros y sus contras”, apunta Alessandro Sorrenti, miembro de la Sección de Química Orgánica de la Universidad de Barcelona y colaborador del estudio. "Por ejemplo, la resolución quiral, el método más extendido para la producción industrial de productos enantioméricamente puros, está intrínsecamente limitada al 50 % de rendimiento. El grupo quiral es la fuente más abundante de compuestos enantioméricos, pero por lo general, solo hay un enantiómero disponible. El método auxiliar quiral puede ofrecer altos excesos enantioméricos, pero requiere fases sintéticas adicionales para agregar y eliminar el compuesto auxiliar, así como etapas de purificación.Finalmente, los catalizadores quirales pueden ser eficientes y solo se usan en pequeñas cantidades, pero solo funcionan bien durante un período relativamente largo. pequeño número de reacciones."
"Todos los métodos mencionados hacen uso de compuestos enantioméricamente puros, en forma de agentes de resolución, auxiliares o ligandos para catalizadores metálicos, que en última instancia derivan directa o indirectamente de fuentes naturales. En otras palabras, la naturaleza es la última forma de asimetría". /P>
Controlando el signo de la quiralidad a través de la dinámica de fluidos
El nuevo artículo describe cómo la modulación de la geometría de un reactor helicoidal a nivel macroscópico permite controlar el signo de quiralidad de un proceso a escala nanométrica, un descubrimiento sin precedentes hasta la fecha en la literatura científica.
Además, la quiralidad se transfiere de arriba hacia abajo, con la manipulación del tubo helicoidal al nivel molecular, mediante la interacción de la hidrodinámica de los flujos secundarios asimétricos y el control espaciotemporal de los gradientes de concentración de los reactivos.
"Para que esto funcione, necesitamos comprender y caracterizar los fenómenos de transporte que ocurren dentro del reactor, es decir, la dinámica de fluidos y el transporte de masa, que determinan la formación de frentes de concentración de reactivos y el posicionamiento de la zona de reacción en regiones de quiralidad específica. , señala Puigmartí-Luis.
En un canal helicoidal, el flujo es más complejo que en un canal recto, ya que las paredes curvas generan fuerzas centrífugas que resultan en la formación de flujos secundarios en el plano perpendicular a la dirección del fluido (flujo principal). Estos flujos secundarios (vórtices) tienen una doble función:son regiones de quiralidad opuesta y construyen el entorno quiral necesario para la enantioselección. Además, por advección dentro del dispositivo y para el desarrollo de gradientes de concentración de reactivos.
Al modular la geometría del reactor helicoidal a nivel macroscópico, "es posible controlar la asimetría de los flujos secundarios de tal manera que la zona de reacción, la región donde los reactivos se encuentran en una concentración adecuada para reaccionar, está expuesta exclusivamente a uno de los dos vórtices, y por lo tanto a una quiralidad específica.Este mecanismo de transferencia de quiralidad, basado en el control racional del flujo de fluidos y el transporte de masa, permite en última instancia controlar la enantioselección dependiendo de la quiralidad macroscópica del reactor helicoidal, donde la lateralidad de la hélice determina el sentido de la enantioselección”, dice Puigmartí-Luis.
Los hallazgos arrojan luz sobre nuevas fronteras para lograr la enantioselección a nivel molecular, sin el uso de compuestos enantiopuros, solo combinando la geometría y las condiciones de trabajo de los reactores de fluidos. "Además, nuestro estudio proporciona una nueva visión fundamental de los mecanismos subyacentes a la transferencia de quiralidad, demostrando que esta propiedad intrínseca de la materia viva se basa en la interacción de restricciones físicas y químicas que actúan de forma sinérgica en múltiples escalas de longitud", concluye Josep Puigmartí-Luis. . Observación de cambios en la quiralidad de moléculas en tiempo real
