Denna graf visar terahertz cirkulära dikroismspektra för fem olika märken av l-karnosin. Medan tre prover visar samma mönster av toppar, föreslår mätningen möjliga skillnader från de återstående två proverna. Kredit:Wonjin Choi, Kotov Lab, University of Michigan
Det är inte lätt att vara säker på att läkemedel och kosttillskott med vridna – eller kirala – strukturer vänder i rätt riktning. Nu kan snurrande infrarött ljus undersöka både strukturerna hos molekylära kristaller och deras vridningar, har forskning ledd av University of Michigan visat.
Forskarna hoppas att tekniken också skulle kunna hjälpa till att diagnostisera skadliga ansamlingar av vridna molekyler i kroppen, inklusive blåsstenar, insulinfibriller och amyloidaggregationer såsom plack som uppstår vid Alzheimers sjukdom.
I en värld av krullade molekyler gynnar biologin ofta höger- eller vänsterhänta versioner. När du går längs tilläggsgången kanske du märker att vissa har ett L eller D framför namnen. L och D betecknar riktningen i vilken molekylen vrider sig, medurs eller moturs - människokroppen använder vanligtvis bara en version. Molekyler med fel vridning kan vara störande fyllmedel eller orsaka biverkningar som kan vara obehagliga eller farliga. Men kvalitetskontroll för vridna molekyler är tuff, och övervakning av de kirala strukturerna hos läkemedel och kosttillskott som lagras görs vanligtvis inte.
"De metoder som oftast används på läkemedelsföretag är mycket känsliga för föroreningar, men att mäta kiralitet är dyrt", säger Wonjin Choi, forskare i kemiteknik vid U-M och första författare till artikeln i Nature Photonics .
Den nya metoden kan snabbt känna igen felaktiga vändningar och fel kemiska strukturer i förpackade läkemedel med hjälp av terahertzstrålning, en del av den infraröda delen av spektrumet. Den har utvecklats av ett internationellt team, inklusive forskare vid Federal University of São Carlos, Brasilien; Brazilian Biorenewables National Laboratory; University of Notre Dame; och Michigan State University.
"Biomolekyler stödjer vridande, långdistansvibrationer, även kända som kirala fononer. Dessa vibrationer är mycket känsliga för strukturen hos molekyler och deras nanoskala, vilket skapar fingeravtrycket av en viss kiral struktur", säger Nicholas Kotov, professor vid Irving Langmuir Distinguished University. of Chemical Sciences and Engineering vid U-M och medförfattare.
Teamet kunde mäta dessa fononer i spektra av vridet terahertzljus som passerade genom testade material. En av dessa, L-karnosin, används för närvarande som ett näringstillskott.
"Om vridningen av molekylen är fel, om vridningen i sättet som molekylerna packar ihop inte är rätt, eller om olika material blandades in, kan allt detta utläsas från spektrat," sa Kotov.
John Kruger, professor i veterinärmedicin vid Michigan State University och medförfattare till uppsatsen, gav blåsstenar från hundar, och teamet upptäckte deras kirala signatur. Teamet hoppas att fynden kan hjälpa till att möjliggöra snabb diagnostik för husdjur och kanske senare människor. Dessutom studerade de insulin när det växte till nanofibrer som gör det inaktivt. Om terahertz light-teknologin kan anpassas för hemsjukvård kan den verifiera kvaliteten på insulin.
Teamet undersökte också hur ljus kan påverka strukturer, snarare än att bara mäta dem. Beräkningar gjorda av André Farias de Moura, professor i kemi vid Federal University of São Carlos och motsvarande författare, visar att flera biomolekyler kraftigt vrider sig och vibrerar när terahertzljus genererar kirala fononer.
"Vi förutser nya vägar framåt – till exempel att använda terahertzvågor med skräddarsydd polarisering för att manipulera stora molekylära sammansättningar. Det kan ersätta mikrovågor i många syntestillämpningar där molekylernas handenhet spelar roll", sa de Moura.
Baserat på de Mouras beräkningar tror Kotov och Choi att de vridande vibrationerna hos kirala fononer orsakade av terahertzljus kan göra sjukdomsframkallande nanofibrer mer sårbara för medicinska ingrepp. Framtida arbete kommer att undersöka om den interaktionen kan användas för att bryta upp dem. + Utforska vidare
