Notícies
Inici  >  Notícies > Nou mecanisme per transferir la quiralitat entre molècules en el món de la...

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

D'esquerra a dreta, els experts Josep Puigmartí-Luis i Alessandro Sorrenti, de la Facultat de Química i l’Institut de Química Teòrica i Computacional (IQTC) de la UB.

D'esquerra a dreta, els experts Josep Puigmartí-Luis i Alessandro Sorrenti, de la Facultat de Química i l’Institut de Química Teòrica i Computacional (IQTC) de la UB.

La quiralitat és una propietat intrínseca de la matèria que determina l’activitat biològica de les biomolècules.

La quiralitat és una propietat intrínseca de la matèria que determina l’activitat biològica de les biomolècules.

El nou article descriu com és possible controlar el signe de quiralitat d’un procés químic d’autoassemblatge a escala nanomètrica modulant la geometria d’un reactor helicoidal a escala macroscòpica.

El nou article descriu com és possible controlar el signe de quiralitat d’un procés químic d’autoassemblatge a escala nanomètrica modulant la geometria d’un reactor helicoidal a escala macroscòpica.

26/04/2022

Recerca

Si confrontem la mà dreta amb l’esquerra, podrem comprovar que mantenen una relació especular —és a dir, com formes simètriques reflectides en un mirall— i no es poden superposar entre si. Aquesta propietat és la quiralitat, una característica de la matèria que juga amb la simetria de les estructures biològiques a diferents escales, des de la molècula de l’ADN fins als teixits del múscul cardíac.

Ara, un nou article publicat a la revista Nature Communications revela un mecanisme que permet transferir la quiralitat entre molècules en el món de la nanoescala. L’estudi l’ha dirigit el professor Josep Puigmartí-Luis, de la Facultat de Química i l’Institut de Química Teòrica i Computacional (IQTC) de la UB.

Quiralitat: de les partícules fonamentals a les biomolècules

La quiralitat és una propietat intrínseca de la matèria que determina l’activitat 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 l’investigador— 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 d’una 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 l’altre compost químicament idèntic (la seva imatge especular). En molts casos, l’activitat farmacològica d’un 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 d’un 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 d’origen natural —els que pertanyen a l’anomenada piscina quiral: aminoàcids, hidroxiàcids o sucres, per exemple)— com a precursors o reactius que poden convertir-se en un compost d’interès després d’una 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 d’interès com a enantiòmers purs. L’ús d’auxiliars 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 l’ús 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 l’auxiliar 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 s’utilitzen 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 s’utilitzen compostos enantiomèricament purs en forma d’agents 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 d’asimetria».

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

El nou article descriu com és possible controlar el signe de quiralitat d’un procés químic d’autoassemblatge a escala nanomètrica modulant la geometria d’un 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 l’escala 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: d’una banda, són regions de quiralitat oposada i constitueixen, així, l’entorn quiral necessari per a l’enantioselecció; de l’altra, 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 l’asimetria 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 l’enantioselecció en funció de la quiralitat macroscòpica del reactor helicoidal, en què la manipulació de l’hèlix determina el sentit de l’enantioselecció.

La descoberta obre noves fronteres per a l’enantioselecció a escala molecular —sense l’ús 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

Comparteix-la a:
| Més |
  • Segueix-nos:
  • botó per accedir al facebook de la universitat de barcelona
  • botó per accedir al twitter de la universitat de barcelona
  • botó per accedir a l'instagram de la Universitat de Barcelona
  • botó per accedir al linkedin de la Universitat de Barcelona
  • botó per accedir al youtube de la universitat de barcelona
  • botó per accedir al google+ de la universitat de barcelona
  • ??? peu.flickr.alt ???
Membre de la Reconeixement internacional de l'excel·lència HR Excellence in Research logo del ∞ - League of European Research Universities logo del bkc - campus excel·lència logo del health universitat de barcelona campus

© Universitat de Barcelona