Linkshandig of rechtshandig? Techniek met één beeld onthult chirale nanostructuren

Hoe verschillen linkshandige en rechtshandige moleculen? Onderzoekers van ETH Zürich gebruiken een nieuwe beeldvormingsmethode om te visualiseren wat voorheen alleen meetbaar was als een gemiddelde, waardoor nieuwe mogelijkheden voor biologie en materiaalwetenschap werden geopend.

Waarom ruiken spearmint en karwijzaden zo verschillend, hoewel hun belangrijkste geurmoleculen bijna identiek zijn? Waarom kan een medicijn levens redden, terwijl het spiegelbeeld niet effectief of zelfs schadelijk is? Het antwoord ligt in chiraliteit, de “handigheid” van moleculen. Net zoals de linker- en rechterhanden vergelijkbaar zijn, maar niet op elkaar kunnen worden geplaatst, zijn er linker- en rechterversies van veel moleculen. Deze hebben vaak volledig verschillende effecten.

Een onderzoeksteam bij ETH Zürich onder leiding van Romain Quidant, hoogleraar nanofotoniek, heeft een methode ontwikkeld die het mogelijk maakt om chiraliteit ruimtelijk te visualiseren met slechts één afbeelding. Tot nu toe heeft de chiraliteit meestal alleen in het gehele monster kunnen worden gemeten en het resultaat is altijd een gemiddelde waarde geweest.

“Met deze nieuwe methode kunnen we een enkel beeld gebruiken om de gebieden van onze steekproef te identificeren waar linkshandige en rechtshandige structuren plaatsvinden” studie Gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica.

Licht als de sleutel tot handigheid

Voor de studie gebruikte Büchner speciaal gefabriceerde gouden nanostructuren, dwz kunstmatig geproduceerde chirale monsters, die werden gefabriceerd door Jose García-Guirado, labmanager in de groep van Quidant. Büchner wist daarom hoeveel rechtshandige en linkshandige componenten te verwachten in de afbeelding.

Om de chiraliteit van de monsters zichtbaar te maken, gebruikte ze een nieuw ontwikkelde beeldvormingsmethode die werkt als een zeer gespecialiseerde camera. Wat het onderscheidt, is het vermogen om te detecteren hoe het monster interageert met verschillende soorten cirkelvormig gepolariseerd licht.

Circulair gepolariseerd licht is een type licht waar de lichtgolven in een spiraal draaien terwijl ze bewegen, hetzij naar links of rechts. Veel chirale moleculen in de natuur reageren anders op dit soort licht: ze absorberen linkshandig licht meer dan rechtshandig licht of roteren hun richting van oscillatie enigszins.

In tegenstelling tot traditionele methoden die twee afzonderlijke metingen nodig hebben met linker- en rechtercirkelvormige polarisatie, legt het systeem van Büchner beide spiraalvormige richtingen tegelijk vast. Het maakt gebruik van een slimme optische opstelling: na het passeren van het monster wordt het licht opgesplitst in linker- en rechtercirkelvormige componenten met behulp van referentiebundels die interferentiepatronen creëren. Deze patronen onthullen hoe elk type licht interactie had met het monster, waardoor chiraliteit zichtbaar werd.

Een normale camera zou alleen een onleesbaar beeld van deze superpositie vastleggen. Dankzij de nieuwe methode kan een computer de informatie echter nauwkeurig lezen. De resulterende kleurgecodeerde kaarten laten zien welke delen van het monster linkshandig zijn en welke rechtshandig zijn. “We waren zelfs in staat om letters zoals ‘L’ en ‘R’ te visualiseren, die bestonden uit nanostructuren met verschillende handigheid,” meldt Büchner.

Kansen voor biologie en materiaalwetenschap

“Ik zie het grootste potentieel voor onze methode waar de chiraliteit ruimtelijk varieert, wat tot nu toe vrijwel onmogelijk te meten is”, zegt Jaime Ortega Arroyo, senior wetenschapper en co-supervisor van het project. Dit is een bekend probleem, met name in de materialenwetenschap: chirale materialen zijn moeilijk om ruimtelijk op te lossen, zoals wanneer verschillende zones in een materiaal een andere handigheid hebben. De nieuwe methode maakt het nu mogelijk om deze verschillen direct te visualiseren.

De onderzoekers zien ook potentieel voor biologische monsters. Gezonde en zieke weefsels kunnen bijvoorbeeld niet alleen verschillen in hun celstructuur, maar ook in hun chiraliteit. Met de beeldvormingsbenadering zou het mogelijk zijn om dergelijke verschillen rechtstreeks in het weefsel te detecteren zonder vlekken of mechanische interventie. “Dit is niet alleen van toepassing op moleculen, maar ook voor grotere structuren zoals delen van cellen, waarvan de chiraliteit tot nu toe nauwelijks is bestudeerd”, legt Büchner uit.

Er is ook potentieel voor toepassingen in de apotheek: veel geneesmiddelen bestaan uit chirale moleculen, waarvan slechts één variant effectief is. Een methode die handigheid onthult, kan helpen om complexe mengsels beter te analyseren of nieuwe diagnostische procedures te ontwikkelen.

Laatste accenten in het laboratorium

De nieuwe beeldvormingsmethode bevindt zich nog in de onderzoeksfase en de tot nu toe gemeten signalen zijn matig en ruisgevoelig. “Onze grootste uitdaging was om de lawaai en signalen uit artefacten in het beeld in zodanig te verminderen dat we er zeker van kunnen zijn dat de signalen daadwerkelijk afkomstig waren van chiraliteit”, zegt Ortega Arroyo.

Als volgende stap willen de onderzoekers het systeem gevoeliger maken. Ze hebben nog een lange weg te gaan voordat het in de echte wereld kan worden gebruikt. Voor nu ligt de focus op het identificeren van geschikte toepassingen en het dienovereenkomstig aanpassen van de methode. “We weten wat ons platform kan doen, maar andere onderzoekers weten veel beter welke andere use -cases er het beste mee kunnen onderzoeken”, zegt Büchner.