IF PAN: nowa metoda separacji molekuł chiralnych

Międzynarodowy zespół naukowców, którego członkiem jest prof. Lech Tomasz Baczewski z Instytutu Fizyki PAN (IF PAN) w Warszawie, opracował nowy sposób separacji enantiomerów. Chodzi tu o mieszaninę prawoskrętnych i lewoskrętnych molekuł chiralnych - cząsteczek chemicznych o identycznym składzie, które są swoimi wzajemnymi odbiciami lustrzanymi, jak prawa i lewa ręka. Separowanie enantiomerów jest bardzo istotnym zagadnieniem dla chemików, biologów, a także dla przemysłu farmaceutycznego.

Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym piśmie "Science" (DOI:10.1126/science.aar4265), a poinformował o nich IF PAN w przesłanej PAP informacji prasowej.

Znaczenie zagadnienia enantiomerów dla przemysłu farmaceutycznego pokazuje tragiczna historia leku na ból głowy i nudności o nazwie Thalidomid z połowy XX wieku. Dopiero po całej serii negatywnych skutków ubocznych tego leku stwierdzonych u pacjentek w ciąży i urodzonych przez nie dzieci z poważnymi wadami rozwojowymi, badania pokazały, ze prawoskrętne molekuły chiralne są bardzo niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego - podczas gdy te same molekuły, ale lewoskrętne stanowią efektywny lek. Od tego czasu przeznaczono ogromne środki finansowe na opracowanie skutecznej metody separacji enantiomerów, czyli oddzielenie molekuł lewoskrętnych od prawoskrętnych.

W pracy opublikowanej w "Science" autorzy po raz pierwszy pokazali, że takiej skutecznej separacji enantiomerów można dokonać przy zastosowaniu specjalnie przygotowanej nanostruktury magnetycznej. Pokazano, że obserwowany efekt separacji nie zależy od typu molekuł – taką samą efektywność separacji stwierdzono zarówno dla aminokwasów, oligopeptydów, a także dla struktur DNA. Ta uniwersalność stanowi niezmiernie ważną zaletę tej metody dla przemysłu farmaceutycznego, gdyż pozwala na zastąpienie obecnie stosowanych, bardzo kosztownych kolumn separacyjnych, które w dodatku muszą być konstruowane oddzielnie dla każdego typu molekuł.

W poprzednich pracach członków zespołu naukowców opisano tzw. mechanizm CISS (chiral-induced spin selectivity). Pozwala on na reorientację kierunku namagnesowania w ferromagnetykach realizowaną tylko przez adsorpcję molekuł chiralnych - bez przyłożenia prądu elektrycznego ani pola magnetycznego. Dzięki spinowo selektywnemu transferowi elektronów poprzez warstwę zaadsorbowanych molekuł do znajdującego się poniżej ferromagnetyka, staje się on także spolaryzowany spinowo - a to wyznacza kierunek namagnesowania.

Jak czytamy w przesłanym komunikacie prasowym: kolejnym, etapem badań było odkrycie nowego, bardzo ważnego zjawiska: możliwości separowania enantiomerów przez cienką warstwę ferromagnetyka z namagnesowaniem prostopadłym do powierzchni. Okazało się, że redystrybucja ładunku w molekule chiralnej powoduje zależność orientacji spinowej od kierunku skręcenia molekuły. Wykorzystano tu zjawisko odwrotne do pokazanego w poprzednich pracach, czyli indukowano konkretną polaryzację spinową w nanostrukturze ferromagnetycznej z anizotropią prostopadłą i adsorbowano na niej molekuły chiralne.

Zaobserwowano, że molekuły o jednym kierunku skręcenia są adsorbowane znacznie szybciej, gdy kierunek magnetyzacji warstwy ferromagnetycznego kobaltu jest skierowany w górę - zaś molekuły o odwrotnym kierunku skręcenia adsorbują szybciej dla kierunku magnetyzacji skierowanego do dołu. W prezentowanej metodzie ta separacja nie następuje wskutek działania pola magnetycznego, tylko poprzez kwantowe oddziaływania spinowo-wymienne molekuł chiralnych z nanostruktura ferromagnetyczną, na której zostały one zaadsorbowane.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ ekr/