Ett internationellt team av forskare, ledd av Mark E. Davis på Caltech, har lyckats göra de första kirala molekylsilarna. Denna upptäckt öppnar nya forskningsområden inom både kemi och biologi, och har breda konsekvenser för läkemedelsföretag och andra specialiserade kemikalietillverkare.

En egenskap som är vanlig bland molekylerna i celler är kiralitet. Objekt som har kiralitet är spegelbilder av varandra. Precis som människor har två händer som är spegelbilder av varandra, molekyler uppvisar handighet och har vänster och höger versioner som kallas enantiomerer. Sedan livets molekyler, nämligen proteiner, sockerarter och DNA, är kirala, enantiomererna av molekyler som läkemedel har helt andra funktioner när de interagerar med celler.

Specialkemikalieindustrier som läkemedelsindustrin har haft svårigheter med att producera kirala molekyler. Utmaningarna ligger i att antingen separera vänsterhänta från högerhänta versioner eller direkt skapa bara den önskade enantiomeren genom en kemisk reaktion.

Davis och hans team har nu uppfunnit molekylsilar som kan både sortera och skapa kirala molekyler. Med denna utveckling, tillverkare kanske kan producera mer specifika och önskade former av läkemedel och andra produkter. Ett exempel på en medicin som kan förbättras, Davis säger, är läkemedlet ibuprofen, också känt under ett av dess varumärken - Advil. Ibuprofen innehåller både vänster- och högerhänta former, men endast den vänsterhänta versionen är terapeutisk.

"För att minimera biverkningar associerade med ibuprofen - såsom magsmärtor, sår, och andra hälsoproblem – det skulle vara bra att bara ta den vänsterhänta versionen, säger Davis, Warren och Katharine Schlinger professor i kemiteknik vid Caltech och huvudforskare av den nya forskningen, som visas i 1 maj-numret av Proceedings of the National Academy of Sciences . "Målet för framtiden är att skapa specifika kirala former av molekyler, inte blandningar. Kirala molekylsilar kommer att låta oss göra detta på nya sätt som med största sannolikhet kommer att vara mindre kostnadskrävande. Dessa siktar kan vara robusta och återanvändbara, och kräver inga speciella temperaturer och andra driftsförhållanden."

Molekylsilar är kiselbaserade kristallgitter som används i kommersiella tillämpningar för flera miljarder dollar, allt från produktion av bensin och dieselbränsle till rening av syre från luft. Silarna, många av dem är en klass som kallas "zeoliter, "se ut som schweizisk ost under ett mikroskop, med sammankopplade porer som är mindre än 2 nanometer stora. Det är porerna som gör dessa fasta ämnen så användbara:de låter molekyler av endast en viss storlek och form passera igenom. Dessutom, porerna kan fungera som katalytiska reaktionskammare för att stimulera produktionen av specifika kemiska produkter.

För att skapa molekylsiktar som selektivt kan låta en specifik form av en kiral molekyl passera igenom, forskarna gjorde flera framsteg. Först, medförfattare vid Rice University designade och implementerade beräkningsmetoder för att vägleda designen av kirala organiska molekyler som styr syntesen av de kirala molekylsilarna. Andra, Caltech-forskare – som ägnat decennier åt att lära sig vilka egenskaperna hos de styrande organiska molekylerna bör vara, och hur man sedan använder dem för att montera molekylsiktar – förberedde de designade, kirala organiska molekyler och syntetiserade de kirala molekylsilarna. Tredje, forskare vid ShanghaiTech University utvecklade en ny, högupplöst transmissionselektronmikroskopi som användes för att bekräfta att siktarna verkligen var antingen vänster- eller högerhänta. Caltech-forskarna visade också att siktarna antingen kunde separera kirala molekyler eller skapa dem genom att katalysera kirala reaktioner.

"Vad vi designat kan göra här är att låta forskare välja vilken form de vill ha:om du vill ha den högerhänta molekylen, du använder rätt molekylsil och du gör den. Om du vill ha den andra, du använder den andra molekylsilen, säger Davis, som har arbetat med problemet med att skapa kirala molekylsilar i 30 år. "Nu, vi kan syntetisera molekyler med kiralitet med hjälp av molekylsiktskatalysatorer för första gången."