La signature chirale d’un parfum peut révéler si un parfum est authentique ou faux. De même, la signature chirale des émissions d’une plante peut fournir des informations sur la santé ou la maladie de la plante. Des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l’Institut Max Planck de chimie (MPIC) ont développé une approche innovante capable d’identifier et de surveiller ces signatures chirales. La plupart des substances chirales naturelles se trouvent sous deux formes d’image miroir présentes en quantités relatives différentes. Par conséquent, chaque plante et chaque parfum doit avoir sa propre marque chirale individuelle. Grâce à leur nouvelle approche, l’équipe de recherche a pu, pour la première fois, identifier des composés chiraux au sein de mélanges complexes de gaz avec un haut niveau de sensibilité et en temps réel.
« Notre nouvelle technique a un potentiel énorme, en particulier dans l’agriculture et l’industrie chimique », a déclaré le Dr Lykourgos Bougas de JGU. Le professeur Jonathan Williams du MPIC a ajouté qu' »en plus des applications commerciales, cette technique nous permettra également de décoder les signaux chiraux dans l’air qui nous entoure, nous permettant de mieux comprendre la chimie de l’atmosphère ». Les partenaires coopérants ont déjà déposé une demande de brevet pour leur technique.
Les odeurs naturelles diffèrent des odeurs synthétiques
La chiralité est une propriété fondamentale de la nature. Nos mains droite et gauche en sont une manifestation. Plus important encore, plusieurs biomolécules existent sous deux formes d’image miroir non superposables, de la même manière qu’une main droite ne rentrera pas dans un gant gaucher. Cela peut affecter l’activité biochimique de ces molécules. Un exemple unique est celui des émissions des plantes. Ceux-ci contiennent plusieurs composés chiraux qui sont naturellement présents sous les deux formes chirales, les isomères D et L ou les énantiomères. Un exemple frappant est la molécule chirale pinène, qui est responsable de l’odeur caractéristique des conifères et des pins. Les rapports relatifs des deux énantiomères du pinène varient naturellement dans les émissions de ces plantes, mais dépendent de manière critique de l’état de santé de la plante.
Le même principe s’applique dans le cas de mélanges complexes de composants naturels et synthétiques, comme dans le cas des parfums. Tous les ingrédients chiraux apparaîtront à la fois dans les isomères D et L, mais en quantités relatives différentes, selon qu’ils proviennent de sources naturelles ou de sources synthétiques. Comme il arrive souvent que les composants naturels soient remplacés par des substances synthétiques dans les faux parfums/contrefaçons, les faux parfums auront une signature chirale différente de celle des originaux.
Recherche sous l’égide du projet ULTRACIRAL financé par l’Union Européenne
Les chercheurs basés à Mayence ont développé une méthode polarimétrique à cavité améliorée pour l’analyse chirale optique dans le cadre du projet ULTRACHIRAL parrainé par l’UE. Ils ont pu détecter les différents effets de rotation optique des molécules chirales sous lumière polarisée. Pour cela, ils ont transféré un échantillon d’une odeur de plante ou de parfum dans une petite chambre qu’ils ont exposée à une lumière polarisée. Ils ont ensuite utilisé un nouveau polarimètre optique sensible à la chiralité pour mesurer avec précision et exactitude la rotation induite de la lumière polarisée. Les chercheurs ont pu atteindre une sensibilité meilleure que celle de l’équipement de pointe actuel de plusieurs ordres de grandeur.
« Notre nouvelle approche d’analyse chirale nous fournit des résultats précis, plus rapides et à de meilleures sensibilités que les techniques traditionnelles, sans nécessiter d’étalonnage avant chaque mesure. De plus, notre technique a été combinée pour la première fois avec la chromatographie en phase gazeuse pour séparer le composants individuels dans un mélange complexe. En conséquence, la forme chirale de chaque constituant présent dans un mélange complexe de gaz peut être identifiée directement et avec précision », a expliqué le physicien de JGU, le Dr Lykourgos Bougas, auteur principal de l’article récemment publié. dans Avancées scientifiques. Dans leur publication, l’équipe d’auteurs propose toute une gamme de nouvelles applications possibles pour leur méthode de détection.
Parmi celles-ci, le contrôle qualité des parfums, un processus actuellement particulièrement complexe car les parfums contiennent plusieurs centaines voire des milliers de composés différents, naturels et synthétiques. Pour démontrer l’efficacité de leur technique, les chercheurs ont comparé quatre parfums commerciaux authentiques de haute qualité avec leurs contrefaçons à bas prix. L’équipe basée à Mayence a pu différencier les parfums originaux de haute qualité de leurs imitations sur la base de leurs signatures chirales à l’aide d’une seule mesure rapide.
Utilisation potentielle dans la culture des cultures pour surveiller la santé des plantes et les infestations de ravageurs
La technique pourrait également présenter un intérêt considérable dans le domaine de l’agriculture. En prenant un jeune conifère, l’équipe a pu montrer que la signature chirale des émissions de la plante changeait soudainement dès que la plante était endommagée. Des signatures chirales similaires ont déjà été observées chez des plantes sujettes à la sécheresse ou à la maladie. Ces signatures peuvent être utilisées dans la pratique, par exemple, pour surveiller en permanence les plantes cultivées et déclencher une alarme si celles-ci sont infestées d’insectes, souffrent d’un manque d’eau ou deviennent malades.
La méthode peut également aider à mieux comprendre les processus physiques et chimiques qui se produisent dans notre atmosphère. On sait que les forêts libèrent de grandes quantités de composés organiques volatils (COV) dans l’environnement, dont beaucoup sont chiraux. Ces molécules ont non seulement un effet sur la chimie et la physique de l’air qui nous entoure, mais aussi sur notre climat. Les COV peuvent également être des substances précurseurs d’aérosols organiques secondaires qui influencent le bilan radiatif solaire de la Terre. « Nous ignorons encore largement le rôle que joue la chiralité dans tous ces processus. Afin de mieux comprendre cela, nous avons besoin de nouveaux instruments et de nouvelles approches, telles que celles fournies par nos recherches », a conclu Bougas.
Afin de permettre une mise en œuvre plus aisée de la nouvelle méthode dans les différents domaines d’application, le Dr Lykourgos Bougas et le professeur Jonathan Williams espèrent qu’une version portable de l’appareil sera développée à l’avenir.
Lykourgos Bougas et al, Analyse chirale optique absolue utilisant la polarimétrie améliorée par la cavité, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm3749