Många av livets molekylära byggstenar har två versioner som är spegelbilder av varandra, känd som enantiomerer. Även om det verkar identiskt, de två enantiomererna kan ha helt olika kemiska beteenden – ett faktum som har stora konsekvenser i vårt dagliga liv. Till exempel, medan en version av den organiska föreningen karvon luktar grönmynta, spegelformen luktar kumminfrö. Inom farmakologi och läkemedelsdesign kan det vara viktigt att kunna skilja mellan de två enantiomererna och separera dem vid behov, eftersom konsekvenserna kan vara livsavgörande. Till exempel, medan en enantiomer av betablockerare selektivt riktar sig mot hjärtat, den andra verkar bara på ögonmembranen i ögat.

Nu, ett forskarlag från DESY, Universität Hamburg och University College London har kommit med ett innovativt nytt tillvägagångssätt för att separera spegelmolekyler och därigenom introducerat ett nytt teoretiskt ramverk för att förstå fenomenet. Arbetet publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Molekyler som finns i spegelversioner av varandra kallas chiral efter det antika grekiska ordet för hand, hänvisar till det faktum att höger och vänster hand är spegelversioner av varandra. Av hittills okända anledningar, livet gynnar ofta en version:medan proteiner nästan alltid är vänsterhänta, sockerarter är vanligtvis högerhänta.

"Traditionellt, kiral analys har begränsats till vätskor men vi ser en växande ökning av gasfasmetoder eftersom de erbjuder mycket större känslighet, " säger DESY-forskaren Andrey Yachmenev, huvudförfattare till studien. "Förmågan att kyla ner gaser nära absolut noll ger oss bättre kontroll över vårt prov, och detta kan i sin tur utnyttjas för att effektivt separera enantiomererna och ge högre utbyten av en enantiomer istället för den andra. "

Kärnan i deras tillvägagångssätt är en specialdesignad laseruppsättning som består av en optisk centrifug, en korkskruvsformad laserpuls som kan snurra molekyler otroligt snabbt, över en biljon gånger per sekund. När det kombineras med ett extra elektriskt fält, hela uppställningen blir kiral och de två enantiomererna beter sig olika, uppvisar unik kvantdynamik.

"Interaktionen mellan laserfältet och en kiral molekyl skapar vad vi kallar en fältinducerad diastereomer, " förklarar medförfattaren Emil Zak från DESY. Diastereomerer är olika konfigurationer av samma förening som inte är spegelversioner av varandra. De distinkta egenskaperna hos diastereomerer kan användas för att separera enantiomererna i rymden. "Viktigt, vårt tillvägagångssätt är kontrollerbart och vi kan öka produktionen av en enantiomer jämfört med den andra genom att helt enkelt ändra den tid som molekylerna spenderar på att interagera med laserfältet, ", tillägger medförfattaren Alec Owens från University College London.

Schemat har visats beräkningsmässigt på den prototypiska kirala molekylen propylenoxid (C3H6O), som för övrigt också var den första komplexa organiska kirala molekylen som upptäcktes i det interstellära rymden. Ansträngningar pågår nu för att utföra experiment på DESY och dra nytta av de elektrostatiska avböjningstekniker som banat väg för i Controlled Molecule Imaging-gruppen ledd av Jochen Küpper vid Center for Free-Electron Laser Science CFEL, en gemensam institution för DESY, Max Planck Society, och Universität Hamburg.

"Manipulation av kirala molekyler i gasfasen genomgår en period av spännande utveckling, både för praktiska tillämpningar som används inom industrin, och för att ge nya insikter om vad som är en mycket grundläggande aspekt av naturen, " säger Yachmenev. "Ursprunget till chiralitet och livets handenhet är ett av de stora mysterierna, men vi kommer gradvis närmare en djupare och mer fullständig förståelse."