Molecole speculari più facili da distinguere

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Presso la sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS del PSI, i ricercatori ha

Presso la sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS del PSI, i ricercatori hanno dimostrato con successo che gli enantiomeri possono essere distinti utilizzando la luce elicoidale Röntgen. Gli enantiomeri sono molecole che sono immagini speculari l’una dell’altra. La separazione di tali molecole è importante in biochimica, tossicologia e sviluppo di farmaci. (Grafico: Istituto Paul Scherrer/Benedikt Rösner)

Con l’aiuto di un nuovo metodo, è possibile distinguere meglio le sostanze speculari l’una dall’altra. Questo è importante, tra l’altro, nella produzione di farmaci, perché le due varianti possono avere effetti completamente diversi sul corpo umano. I ricercatori dell’Istituto Paul Scherrer PSI, dell’EPF di Losanna (EPFL) e dell’Università di Ginevra hanno descritto il nuovo metodo sulla rivista Nature Photonics.

Alcune molecole esistono in due forme strutturalmente identiche, ma speculari nella loro struttura, proprio come la nostra mano destra e sinistra. Si tratta quindi di molecole chirali. Le loro due forme speculari sono chiamate enantiomeri. Nelle molecole biologiche, la chiralità è particolarmente importante perché possono avere effetti diversi nell’organismo. In biochimica, tossicologia e nello sviluppo di farmaci, è quindi essenziale separare gli enantiomeri l’uno dall’altro in modo che, ad esempio, solo la variante desiderata entri a far parte di un farmaco. Ora, un consorzio di ricercatori del PSI, dell’EPFL e dell’Università di Ginevra ha sviluppato un nuovo metodo con cui è possibile distinguere meglio gli enantiomeri l’uno dall’altro e quindi separarli: il dicroismo elicoidale nell’intervallo dei raggi X.

Il metodo finora stabilito per distinguere gli enantiomeri è il cosiddetto dicroismo circolare, abbreviato CD. In questo caso, la luce con una determinata proprietà, ovvero la luce polarizzata circolarmente, viene inviata attraverso il campione. Questa luce viene assorbita in modo diverso dagli enantiomeri. Il CD è ampiamente utilizzato in chimica analitica, nella ricerca biochimica e nell’industria farmaceutica e alimentare. Tuttavia, con il CD, i segnali sono molto deboli per natura: l’assorbimento della luce dei due enantiomeri differisce di appena lo 0,1%. Esistono varie strategie per amplificare i segnali, ma sono adatte solo se il campione è in fase gassosa. Tuttavia, gran parte della chimica e della biochimica si svolge in soluzioni liquide, soprattutto in acqua.

Il nuovo metodo, invece, utilizza il cosiddetto dicroismo elicoidale, o HD. L’effetto alla base di questo fenomeno si trova nella forma della luce anziché nella sua polarizzazione: Il fronte d’onda è a curvatura elicoidale.

Presso la sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS del PSI, i ricercatori sono riusciti a dimostrare per la prima volta che gli enantiomeri possono essere distinti anche utilizzando la luce elicoidale dei raggi X. Alla beamline cSAXS dell’SLS, hanno dimostrato questo risultato su un campione in polvere del complesso metallico chirale ferro-tris-bipiridina, che i ricercatori avevano fornito all’Università di Ginevra. Il segnale ottenuto era di diversi ordini di grandezza superiore a quello ottenibile con il CD. L’HD può essere utilizzato anche in soluzioni liquide, soddisfacendo così un prerequisito ideale per le applicazioni nell’analisi chimica.

Per l’esperimento era fondamentale creare una luce a raggi X con le giuste proprietà. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato con le cosiddette piastre a zona spirale, un tipo speciale di lente di diffrazione attraverso la quale hanno inviato la luce prima che colpisse il campione.

Con le piastre a spirale siamo riusciti a dare alla nostra luce a raggi X la forma desiderata e quindi un momento angolare orbitale in modo molto elegante. I fasci creati in questo modo sono chiamati anche vortici ottici, spiega Benedikt Rösner, ricercatore del PSI che ha progettato e realizzato le piastre di zona per questo esperimento.

Jérémy Rouxel, ricercatore dell’EPFL e primo autore del nuovo studio, aggiunge: "Il dicroismo elicoidale fornisce un tipo di interazione luce-materia completamente nuovo. Possiamo sfruttarlo perfettamente per la discriminazione degli enantiomeri.

Lo studio è stato possibile grazie ai finanziamenti del Consiglio europeo della ricerca con l’ERC Advanced Grant DYNAMOX, del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica con il Centro nazionale di competenza per la ricerca NCCR:MUST e del Servizio tedesco di scambio accademico DAAD.

Testo: Istituto Paul Scherrer/Laura Hennemann


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