Il n’est pas facile d’être sûr que les médicaments et les suppléments avec des structures tordues ou chirales tournent dans la bonne direction. Désormais, la lumière infrarouge tourbillonnante peut sonder à la fois les structures des cristaux moléculaires et leurs torsions, ont montré des recherches menées par l’Université du Michigan.
Les chercheurs espèrent que la technique pourrait également aider à diagnostiquer les accumulations nocives de molécules tordues dans le corps, notamment les calculs vésicaux, les fibrilles d’insuline et les agrégats amyloïdes tels que les plaques qui apparaissent dans la maladie d’Alzheimer.
Dans un monde de molécules recourbées, la biologie privilégie souvent les versions droitières ou gauchers. En marchant le long de l’allée des suppléments, vous remarquerez peut-être que certains ont un L ou un D devant les noms. L et D indiquent la direction dans laquelle la molécule se tord, dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre – le corps humain n’utilise généralement qu’une seule version. Les molécules avec la mauvaise torsion peuvent être des charges gênantes ou provoquer des effets secondaires qui peuvent être désagréables ou dangereux. Mais le contrôle de la qualité des molécules tordues est difficile, et la surveillance des structures chirales des médicaments et des suppléments conservés n’est généralement pas effectuée.
« Les méthodes les plus couramment utilisées dans les sociétés pharmaceutiques sont très sensibles aux impuretés, mais la mesure de la chiralité coûte cher », a déclaré Wonjin Choi, chercheur en génie chimique à l’UM et premier auteur de l’article dans Photonique de la nature.
La nouvelle méthode peut rapidement reconnaître les mauvaises torsions et les mauvaises structures chimiques dans les médicaments emballés en utilisant un rayonnement térahertz, une partie de la partie infrarouge du spectre. Il a été développé par une équipe internationale, comprenant des chercheurs de l’Université fédérale de São Carlos, au Brésil ; Laboratoire national brésilien des biorenouvelables ; Université Notre-Dame; et l’Université d’État du Michigan.
« Les biomolécules supportent les vibrations de torsion à longue portée, également connues sous le nom de phonons chiraux. Ces vibrations sont très sensibles à la structure des molécules et à leurs assemblages à l’échelle nanométrique, créant l’empreinte digitale d’une structure chirale particulière », a déclaré Nicholas Kotov, professeur distingué à l’Université Irving Langmuir. des sciences chimiques et de l’ingénierie à l’UM et co-auteur correspondant.
L’équipe a pu mesurer ces phonons dans le spectre de la lumière térahertz torsadée qui traversait les matériaux testés. L’une d’entre elles, la L-carnosine, est actuellement utilisée comme complément nutritionnel.
« Si la torsion de la molécule est fausse, si la torsion dans la façon dont les molécules s’assemblent n’est pas correcte, ou si différents matériaux ont été mélangés, tout cela pourrait être déduit des spectres », a déclaré Kotov.
John Kruger, professeur de médecine vétérinaire à la Michigan State University et co-auteur de l’article, a fourni des calculs vésicaux de chiens, et l’équipe a découvert leur signature chirale. L’équipe espère que les résultats pourraient aider à permettre des diagnostics rapides pour les animaux de compagnie et peut-être plus tard pour les humains. De plus, ils ont étudié l’insuline au fur et à mesure qu’elle se transformait en nanofibres qui la rendaient inactive. Si la technologie de la lumière térahertz peut être adaptée aux soins à domicile, elle pourrait vérifier la qualité de l’insuline.
L’équipe a également exploré comment la lumière peut influencer les structures, plutôt que de simplement les mesurer. Les calculs effectués par André Farias de Moura, professeur de chimie à l’Université fédérale de São Carlos et co-auteur correspondant, montrent que plusieurs biomolécules se tordent et vibrent vigoureusement lorsque la lumière térahertz génère des phonons chiraux.
La lumière térahertz torsadée entraîne des vibrations dans l’acide L-glutamique. Crédit : Felippe M. Colombari, Laboratoire national brésilien des biorenouvelables, André F. de Moura, Université fédérale de São Carlos, Wonjin Choi, Kotov Lab, Université du Michigan
« Nous prévoyons de nouvelles voies à suivre, par exemple en utilisant des ondes térahertz avec une polarisation adaptée pour manipuler de grands assemblages moléculaires. Cela pourrait remplacer les micro-ondes dans de nombreuses applications de synthèse dans lesquelles la sensibilité des molécules est importante », a déclaré de Moura.
Sur la base des calculs de de Moura, Kotov et Choi pensent que les vibrations de torsion des phonons chiraux causées par la lumière térahertz peuvent rendre les nanofibres pathogènes plus vulnérables aux interventions médicales. Les travaux futurs exploreront si cette interaction peut être utilisée pour les briser.
Won Jin Choi et al, Phonons chiraux dans les microcristaux et les nanofibrilles de biomolécules, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-00969-1