Как отличаются левосторонние и правосторонние молекулы? Исследователи из ETH Zurich используют новый метод визуализации, чтобы увидеть то, что раньше можно было измерить только как среднее значение. Это открывает новые возможности для биологии и материаловедения.
Почему семена мяты и тмина пахнут по-разному, хотя их основные молекулы запаха почти идентичны? Почему одно лекарство может спасать жизни, а его зеркальный изомер — быть неэффективным или даже вредным? Ответ кроется в хиральности — «рукости» молекул. Как левая и правая руки похожи, но не могут быть наложены друг на друга, так и многие молекулы имеют левосторонние и правосторонние версии. Они часто оказывают совершенно разное воздействие.
Исследовательская группа под руководством Романа Квидана, профессора нанофотоники в ETH Zurich, разработала метод, позволяющий визуализировать хиральность пространственно с помощью одного изображения. До сих пор хиральность в основном можно было измерить только по всему образцу, и результатом всегда было среднее значение.
«С помощью этого нового метода мы можем использовать одно изображение для идентификации областей нашего образца, где встречаются левосторонние и правосторонние структуры», — объясняет Ребекка Бюхнер, докторант, работающий под руководством Квидана и являющийся ведущим автором исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics.
Для исследования Бюхнер использовала специально изготовленные золотые наноструктуры, то есть искусственно полученные хиральные образцы. Их изготовил Хосе Гарсиа-Гирадо, менеджер лаборатории в группе Квидана. Поэтому Бюхнер знала, сколько левосторонних и правосторонних компонентов ожидать на изображении.
Чтобы сделать хиральность образцов видимой, она использовала недавно разработанный метод визуализации, работающий как специализированная камера. Её отличает способность определять, как образец взаимодействует с различными типами циркулярно-поляризованного света.
Циркулярно-поляризованный свет — это тип света, в котором световые волны вращаются по спирали при движении либо влево, либо вправо. Многие хиральные молекулы в природе по-разному реагируют на такие типы света: они поглощают левосторонний свет больше, чем правосторонний, или слегка изменяют направление своих колебаний.
В отличие от традиционных методов, которым требуются два отдельных измерения с левой и правой круговой поляризацией, система Бюхнер улавливает оба спиральных направления одновременно. Она использует продуманную оптическую схему: после прохождения через образец свет разделяется на левосторонние и правосторонние компоненты с помощью опорных лучей, создающих интерференционные картины. Эти картины показывают, как каждый тип света взаимодействовал с образцом, делая хиральность видимой.
Обычная камера зафиксировала бы только неразборчивое изображение от такого наложения. Однако благодаря новому методу компьютер может точно считывать информацию. Полученные карты с цветовой кодировкой показывают, какие части образца являются левосторонними, а какие — правосторонними. «Мы даже смогли визуализировать буквы „L“ и „R“, которые были сделаны из наноструктур с разной хиральностью», — сообщает Бюхнер.
«Я вижу наибольший потенциал для нашего метода там, где хиральность меняется в пространстве, что до сих пор было практически невозможно измерить», — говорит Хайме Ортега Арройо, старший научный сотрудник и соруководитель проекта. Это известная проблема, особенно в материаловедении: хиральные материалы трудноразрешимы пространственно, например, когда разные зоны в материале имеют разную хиральность. Новый метод теперь позволяет визуализировать эти различия напрямую.
Исследователи также видят потенциал для биологических образцов. Например, здоровые и поражённые ткани могут отличаться не только структурой клеток, но и хиральностью. С помощью такого подхода можно было бы обнаружить такие различия непосредственно в ткани без окрашивания или механического вмешательства. «Это относится не только к молекулам, но и к более крупным структурам, таким как части клеток, чья хиральность до сих пор практически не изучалась», — объясняет Бюхнер.
Есть также потенциал для применения в фармацевтике: многие лекарства состоят из хиральных молекул, только один вариант которых является эффективным. Метод, который показывает хиральность, может помочь лучше анализировать сложные смеси или разрабатывать новые диагностические процедуры.
Новый метод визуализации всё ещё находится на стадии исследований, и сигналы, измеренные до сих пор, умеренные и чувствительные к шуму. «Нашей главной задачей было уменьшить шум и сигналы, поступающие от артефактов на изображении, до такой степени, чтобы мы могли быть уверены, что сигналы на самом деле исходят от хиральности», — говорит Ортега Арройо.
В качестве следующего шага исследователи хотят сделать систему более чувствительной. Им предстоит пройти долгий путь, прежде чем её можно будет использовать в реальном мире. Пока основное внимание уделяется выявлению подходящих приложений и соответствующей адаптации метода. «Мы знаем, что может делать наша платформа, но другие исследователи гораздо лучше знают, какие другие варианты использования можно было бы лучше всего исследовать с её помощью», — говорит Бюхнер.
Предоставлено: ETH Zurich.