Nou mecanisme per transferir la quiralitat entre molècules en el món de la nanoescala

Quiralitat: de les partícules fonamentals a les biomolècules

La quiralitat és una propietat intrínseca de la matèria que determina lʼactivitat biològica de les biomolècules. «La natura és asimètrica, és a dir, hi ha una banda dreta i una esquerra i es poden distingir entre si. Les biomolècules que formen la matèria viva —aminoàcids, sucres o lípids— són quirals: estan formades per molècules químicament idèntiques que són imatges especulars entre si (enantiòmers), una característica que els confereix diverses propietats com a compostos actius (activitat òptica, acció farmacològica, etc.)», explica Josep Puigmartí-Luis, investigador ICREA i membre del Departament de Ciència de Materials i Química Física.

«Els enantiòmers —prossegueix lʼinvestigador— són químicament idèntics fins que es col·loquen en un entorn quiral que els pugui diferenciar (com la sabata dreta en què encaixa el peu dret). Els sistemes vius, integrats per molècules homoquirals (és a dir, amb el mateix enantiòmer o forma quiral), són entorns quirals que poden reconèixer i respondre dʼuna manera diferent a les espècies enantiomèriques. A més, poden controlar fàcilment el signe quiral en processos bioquímics que donen lloc a transformacions estereoespecífiques».

Com es poden obtenir molècules quirals mitjançant reaccions químiques?

El control de la quiralitat és decisiu en la fabricació de fàrmacs, pesticides, aromes, sabors i altres compostos químics. Cada enantiòmer (molècula amb una simetria determinada) té una activitat concreta i diferent de la de lʼaltre compost químicament idèntic (la seva imatge especular). En molts casos, lʼactivitat farmacològica dʼun enantiòmer pot ser molt escassa o, en el pitjor dels casos, potencialment tòxica. «Per tant, els químics han de ser capaços de sintetitzar compostos com a enantiòmers únics a través dʼun procés conegut com síntesi asimètrica», apunta Puigmartí-Luis.

Hi ha diverses estratègies per controlar el signe de quiralitat en els processos químics. Per exemple, emprar compostos enantiomèricament purs dʼorigen natural —els que pertanyen a lʼanomenada piscina quiral: aminoàcids, hidroxiàcids o sucres, per exemple)— com a precursors o reactius que poden convertir-se en un compost dʼinterès després dʼuna sèrie de modificacions químiques. La resolució quiral és una altra opció que permet separar enantiòmers fent servir un agent de resolució enantiomèricament pur, i així recuperar finalment els compostos dʼinterès com a enantiòmers purs. Lʼús dʼauxiliars quirals que ajuden un substrat a reaccionar de manera diastereoselectiva també és una metodologia eficaç per obtenir un producte enantiomèricament pur. Finalment, la catàlisi asimètrica —basada en lʼús dels catalitzadors asimètrics— es perfila com el millor procediment per assolir la síntesi asimètrica.

Cadascun dels mètodes descrits té els seus propis pros i contres. Així ho explica Alessandro Sorrenti, membre de la Secció de Química Orgànica de la Universitat de Barcelona i col·laborador en el treball: «Per exemple, la resolució quiral —el mètode més estès per a la síntesi industrial de productes enantiomèricament purs— està intrínsecament limitada a un rendiment del 50 %. La piscina quiral és la font més abundant de compostos enantiopurs, però normalment només hi ha un enantiòmer disponible. El mètode de lʼauxiliar quiral pot oferir alts excessos enantiomèrics, però exigeix fases sintètiques addicionals per afegir i eliminar el compost auxiliar, així com passos de purificació. Finalment, els catalitzadors quirals poden ser molt eficients i només sʼutilitzen en petites quantitats, però només funcionen molt bé en un nombre relativament limitat de reaccions».

«Cal recordar —puntualitza Sorrenti— que en tots els mètodes esmentats sʼutilitzen compostos enantiomèricament purs en forma dʼagents resolutius, auxiliars o lligands per a catalitzadors metàl·lics. En última instància, aquestes compostos deriven directament o indirectament de fonts naturals. En altres paraules: la natura és la forma definitiva dʼasimetria».

Controlar el signe de quiralitat a través de la dinàmica de fluids

El nou article descriu com és possible controlar el signe de quiralitat dʼun procés químic dʼautoassemblatge a escala nanomètrica modulant la geometria dʼun reactor helicoidal a escala macroscòpica, una descoberta sense precedents en la bibliografia científica sobre aquest tema.

Així doncs, la quiralitat es transfereix de dalt a baix, a partir de la manipulació del tub helicoidal fins a lʼescala molecular, mitjançant la interacció de la hidrodinàmica dels fluxos secundaris asimètrics i el control espaciotemporal precís dels gradients de concentració de reactius.

«Perquè això funcioni, és fonamental entendre i caracteritzar els fenòmens de transport que es produeixen dins del reactor, és a dir, la dinàmica de fluids i el transport de masses, que determinen la formació de fronts de concentració de reactius i el posicionament de la zona de reacció en regions de quiralitat específica», apunta Puigmartí-Luis.

En un canal helicoidal, el flux és més complex que en un canal recte, ja que les parets corbes generen forces centrífugues que originen fluxos secundaris en el pla perpendicular a la direcció del fluid (flux principal). Aquests fluxos secundaris (vòrtexs) tenen una doble funció: dʼuna banda, són regions de quiralitat oposada i constitueixen, així, lʼentorn quiral necessari per a lʼenantioselecció; de lʼaltra, són responsables del transport de massa per advecció dins del dispositiu i del desenvolupament de gradients de concentració de reactius.

En modular la geometria del reactor helicoidal a escala macroscòpica, «és possible controlar lʼasimetria dels fluxos secundaris de manera que la zona de reacció —la regió en què es troben els reactius en una concentració adequada per reaccionar— quedi exposada exclusivament a un dels dos vòrtexs i, per tant, a una quiralitat específica», explica Puigmartí-Luis. Basat en el control del flux de fluids i el transport de massa, aquest mecanisme de transferència de quiralitat permet, en última instància, controlar lʼenantioselecció en funció de la quiralitat macroscòpica del reactor helicoidal, en què la manipulació de lʼhèlix determina el sentit de lʼenantioselecció.

La descoberta obre noves fronteres per a lʼenantioselecció a escala molecular —sense lʼús de compostos enantiopurs— només combinant la geometria i les condicions de funcionament dels reactors fluídics. «A més, el nostre treball aporta una visió fonamental dels mecanismes subjacents a la transferència de la quiralitat, i revela que aquesta propietat intrínseca de la matèria viva es basa en la interacció de restriccions físiques i químiques que actuen de manera sinèrgica a través de múltiples escales», conclou el professor Josep Puigmartí-Luis.

Article de referència:

Sevim, S.; Sorrenti, A.; Vale, J.P.; El-Hachemi, Z.; Pané, S.; Flouris, A.D.; Sotto Mayor, T.; Puigmartí-Luis, J. “Chirality transfer from a 3D macro shape to the molecular level by controlling asymmetric secondary flows”. Nature Communications, abril de 2022. Doi: 10.1038/s41467-022-29425-y