Canhoto ou destro? Nanoestruturas identificadas pela luz
Oportunidades para a biologia e a ciência dos materiais
Como é que as moléculas esquerdinas e destras diferem? Os investigadores da ETH Zurich estão a utilizar um novo método de imagem para visualizar o que anteriormente só era mensurável em termos médios, abrindo novas possibilidades para a biologia e a ciência dos materiais.
Porque é que as sementes de hortelã e de cominho têm cheiros tão diferentes, apesar de as suas moléculas principais serem quase idênticas? Porque é que um medicamento pode salvar vidas, enquanto a sua imagem no espelho é ineficaz ou mesmo prejudicial? A resposta está na quiralidade, a "mão" das moléculas. Tal como as mãos esquerda e direita são semelhantes, mas não podem ser colocadas uma em cima da outra, existem versões esquerda e direita de muitas moléculas. Estas têm frequentemente efeitos completamente diferentes.
Uma equipa de investigação da ETH Zurich, liderada por Romain Quidant, Professor de Nanofotónica, desenvolveu um método que permite visualizar espacialmente a quiralidade utilizando apenas uma imagem. Até agora, a quiralidade só podia ser medida em toda a amostra e o resultado era sempre um valor médio.
"Com este novo método, podemos utilizar uma única imagem para identificar as áreas da nossa amostra onde ocorrem estruturas destras e canhotas", explica Rebecca Büchner, aluna de doutoramento de Quidant e principal autora do estudo publicado na revista Nature Photonics.
A luz como chave para a lateralidade
Para o estudo, Büchner utilizou nanoestruturas de ouro especialmente fabricadas, ou seja, amostras quirais produzidas artificialmente, que foram fabricadas por Jose García-Guirado, diretor do laboratório do grupo de Quidant. Büchner sabia, por isso, quantos componentes destros e canhotos podia esperar na imagem. Para tornar visível a quiralidade das amostras, utilizou um método de imagem recentemente desenvolvido que funciona como uma câmara altamente especializada. O que o distingue é a sua capacidade de detetar a forma como a amostra interage com diferentes tipos de luz polarizada circularmente.
A luz circularmente polarizada é um tipo de luz em que as ondas luminosas rodam em espiral à medida que se deslocam, quer para a esquerda quer para a direita. Muitas moléculas quirais na natureza reagem de forma diferente a estes tipos de luz: absorvem mais a luz da esquerda do que a da direita ou rodam ligeiramente a sua direção de oscilação, por exemplo.
Ao contrário dos métodos tradicionais que requerem duas medições separadas com polarização circular esquerda e direita, o sistema de Büchner capta ambas as direcções espirais de uma só vez. Utiliza uma configuração ótica inteligente: depois de passar pela amostra, a luz é dividida em componentes circulares à esquerda e à direita, utilizando feixes de referência que criam padrões de interferência. Estes padrões revelam a forma como cada tipo de luz interage com a amostra, tornando visível a quiralidade.
Uma câmara normal captaria apenas uma imagem ilegível desta sobreposição. No entanto, graças ao novo método, um computador pode ler a informação com exatidão. Os mapas com códigos de cores resultantes mostram quais as partes da amostra que são esquerdinas e quais as que são destras. "Conseguimos até visualizar letras como 'L' e 'R', que eram compostas por nanoestruturas com diferentes tipos de mão", relata Büchner.
Oportunidades para a biologia e a ciência dos materiais
"Vejo o maior potencial para o nosso método nos casos em que a quiralidade varia espacialmente, o que tem sido praticamente impossível de medir até agora", diz Jaime Ortega Arroyo, cientista sénior e co-supervisor do projeto. Trata-se de um problema bem conhecido, em particular na ciência dos materiais: os materiais quirais são difíceis de resolver espacialmente, por exemplo, quando diferentes zonas de um material têm diferentes mãos. O novo método permite agora visualizar diretamente estas diferenças.
Os investigadores também vêem potencial para amostras biológicas. Por exemplo, um tecido saudável e um tecido doente podem diferir não só na sua estrutura celular mas também na sua quiralidade. Com a abordagem por imagem, seria possível detetar essas diferenças diretamente no tecido sem coloração ou intervenção mecânica. "Isto aplica-se não só a moléculas, mas também a estruturas maiores, como partes de células, cuja quiralidade quase não foi estudada até à data", explica Büchner.
Há também potencial para aplicações em farmácia: muitos medicamentos consistem em moléculas quirais, das quais apenas uma variante é eficaz. Um método que revele a mão poderia ajudar a analisar melhor misturas complexas ou a desenvolver novos procedimentos de diagnóstico.
Últimos retoques no laboratório
O novo método de imagiologia está ainda em fase de investigação e os sinais medidos até agora são moderados e sensíveis ao ruído. "O nosso maior desafio foi reduzir o ruído e os sinais provenientes de artefactos na imagem de tal forma que pudéssemos ter a certeza de que os sinais eram realmente originários da quiralidade", diz Ortega Arroyo.
Como próximo passo, os investigadores querem tornar o sistema mais sensível. Ainda há um longo caminho a percorrer antes de o sistema poder ser utilizado no mundo real. Para já, o objetivo é identificar as aplicações adequadas e adaptar o método em conformidade. "Nós sabemos o que a nossa plataforma pode fazer, mas outros investigadores sabem muito melhor que outros casos de utilização poderiam ser melhor investigados com ela", diz Büchner.
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