Mancino o destrorso? Nanostrutture identificate dalla luce
Opportunità per la biologia e la scienza dei materiali
Come si differenziano le molecole mancine e destrorse? I ricercatori del Politecnico di Zurigo utilizzano un nuovo metodo di imaging per visualizzare ciò che prima era misurabile solo come media, aprendo nuove possibilità per la biologia e la scienza dei materiali.
Perché i semi di menta e di cumino hanno un odore così diverso, nonostante le loro principali molecole odorose siano quasi identiche? Perché un farmaco può salvare delle vite, mentre la sua immagine speculare è inefficace o addirittura dannosa? La risposta si trova nella chiralità, la "manualità" delle molecole. Proprio come la mano destra e quella sinistra sono simili ma non possono essere messe una sopra l'altra, esistono versioni destre e sinistre di molte molecole. Queste hanno spesso effetti completamente diversi.
Un gruppo di ricerca del Politecnico di Zurigo, guidato da Romain Quidant, professore di nanofotonica, ha sviluppato un metodo che consente di visualizzare la chiralità in modo spaziale utilizzando una sola immagine. Finora la chiralità poteva essere misurata solo sull'intero campione e il risultato era sempre un valore medio.
"Con questo nuovo metodo, possiamo utilizzare una singola immagine per identificare le aree del nostro campione in cui sono presenti strutture destrorse e sinistrorse", spiega Rebecca Büchner, dottoranda che lavora con Quidant e autrice principale dello studio pubblicato sulla rivista Nature Photonics.
La luce come chiave della manualità
Per lo studio, Büchner ha utilizzato nanostrutture d'oro appositamente realizzate, ovvero campioni chirali prodotti artificialmente, che sono stati fabbricati da Jose García-Guirado, responsabile del laboratorio del gruppo di Quidant. Büchner sapeva quindi quante componenti destrorse e sinistrorse aspettarsi nell'immagine. Per rendere visibile la chiralità dei campioni, ha utilizzato un metodo di imaging di nuova concezione che funziona come una fotocamera altamente specializzata. Ciò che lo distingue è la capacità di rilevare l'interazione del campione con diversi tipi di luce polarizzata circolarmente.
La luce polarizzata circolarmente è un tipo di luce in cui le onde luminose ruotano a spirale mentre si muovono, a destra o a sinistra. Molte molecole chirali in natura reagiscono in modo diverso a questi tipi di luce: ad esempio, assorbono la luce sinistrorsa più di quella destrorsa o ruotano leggermente la loro direzione di oscillazione.
A differenza dei metodi tradizionali che richiedono due misurazioni separate con polarizzazione circolare destra e sinistra, il sistema di Büchner cattura entrambe le direzioni di spirale in una sola volta. Utilizza un'ingegnosa configurazione ottica: dopo aver attraversato il campione, la luce viene suddivisa in componenti circolari destra e sinistra utilizzando fasci di riferimento che creano schemi di interferenza. Questi schemi rivelano come ogni tipo di luce ha interagito con il campione, rendendo visibile la chiralità.
Una normale fotocamera catturerebbe solo un'immagine illeggibile da questa sovrapposizione. Grazie al nuovo metodo, invece, un computer può leggere le informazioni con precisione. Le mappe colorate che ne risultano mostrano quali parti del campione sono sinistre e quali destre. "Siamo stati persino in grado di visualizzare lettere come 'L' e 'R', che erano composte da nanostrutture con una diversa destrezza", riferisce Büchner.
Opportunità per la biologia e la scienza dei materiali
"Vedo il massimo potenziale per il nostro metodo laddove la chiralità varia spazialmente, cosa che finora è stata praticamente impossibile da misurare", afferma Jaime Ortega Arroyo, scienziato senior e co-supervisore del progetto. Si tratta di un problema ben noto, in particolare nella scienza dei materiali: i materiali chirali sono difficili da risolvere a livello spaziale, ad esempio quando le diverse zone di un materiale hanno una diversa disposizione delle mani. Il nuovo metodo permette ora di visualizzare direttamente queste differenze.
I ricercatori vedono anche un potenziale per i campioni biologici. Ad esempio, i tessuti sani e quelli malati potrebbero differire non solo nella struttura cellulare, ma anche nella loro chiralità. Con l'approccio di imaging, sarebbe possibile rilevare tali differenze direttamente nel tessuto senza colorazione o intervento meccanico. "Questo vale non solo per le molecole, ma anche per le strutture più grandi, come le parti delle cellule, la cui chiralità è stata finora poco studiata", spiega Büchner.
Esiste anche un potenziale per le applicazioni in farmacia: molti farmaci sono costituiti da molecole chirali, di cui solo una variante è efficace. Un metodo in grado di rivelare l'attitudine alla manipolazione potrebbe aiutare ad analizzare meglio miscele complesse o a sviluppare nuove procedure diagnostiche.
Ultimi ritocchi in laboratorio
Il nuovo metodo di imaging è ancora in fase di ricerca e i segnali misurati finora sono moderati e sensibili al rumore. "La nostra sfida più grande è stata quella di ridurre il rumore e i segnali provenienti da artefatti nell'immagine in misura tale da poter essere sicuri che i segnali provenissero effettivamente dalla chiralità", spiega Ortega Arroyo.
Come passo successivo, i ricercatori vogliono rendere il sistema più sensibile. La strada da percorrere prima di poterlo utilizzare nel mondo reale è ancora lunga. Per ora, l'attenzione si concentra sull'identificazione di applicazioni adatte e sull'adattamento del metodo di conseguenza. "Noi sappiamo cosa può fare la nostra piattaforma, ma altri ricercatori sanno molto meglio quali altri casi d'uso potrebbero essere studiati con essa", dice Büchner.
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