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Sintetizan un nuevo tipo de luz para ‘filtrar’ moléculas quirales

La inmensa mayoría de los laboratorios de química orgánica, por ejemplo los que sintetizan fármacos, necesitan separar moléculas que tienen estructuras simétricas pero efectos muy dispares. Un nuevo tipo de luz permite identificar moléculas de quiralidad opuesta, cuantificarlas e incluso visualizar y manipular reacciones químicas quirales en tiempo real. El investigador zaragozano David Ayuso es el primer autor del artículo que acaba de publicarse en la revista 'Nature Photonics'.

La luz quiral sintética interacciona selectivamente con una de las dos versiones de una molécula quiral (la izquierda o la derecha): la versión seleccionada comienza a brillar, mientras su ‘gemelo espejo’ permanece oscuro.
La luz quiral sintética interacciona selectivamente con una de las dos versiones de una molécula quiral (la izquierda o la derecha): la versión seleccionada comienza a brillar, mientras su ‘gemelo espejo’ permanece oscuro.
Steven Roberts

"Les describo nuestro trabajo en dos frases: Hemos diseñado un nuevo tipo de luz que permite distinguir y controlar, completamente, moléculas quirales opuestas, algo que no había sido logrado hasta ahora. Nuestro trabajo abre la puerta al desarrollo de importantes aplicaciones tecnológicas en los campos de la química y la biología, por ejemplo en la creación de nuevos fármacos o nanomateriales".

Desde el Max-Born-Institut de Berlín nos escribe el investigador zaragozano David Ayuso, primer autor de un artículo que acaba de publicar en ‘Nature Photonics’ tras dos años de trabajo, dirigido por Olga Smirnova, investigadora del mismo centro y catedrática en la Universidad Técnica de Berlín, y en colaboración con el Israel Institute of Technology en Haifa (Israel), y de la Universidad de Trieste, en Italia.

¿Qué importancia tiene? A algunas moléculas –ácidos nucleicos, proteínas, enzimas y muchas hormonas– les pasa como a nuestras manos: cada una es justamente el espejo de la otra. Son moléculas quirales: con versión ‘derecha’ y versión ‘izquierda’; aparecen en parejas que podemos llamar ‘gemelos espejo’. Cuando un químico te explica esto, siempre extiende sus manos, con las palmas hacia abajo, y las desliza hasta colocar una sobre otra para comprobar lo distintas que son: es imposible superponerlas. También las moléculas quirales son muy similares pero muy distintas, tanto, que mientas una puede curar una enfermedad, su ‘gemelo espejo’, o enantiómero, puede ser tóxico o incluso letal. Ocurrió con la talidomida. Más de la mitad de los fármacos del mercado son quirales. Por eso separar unos de otros es tan importante.

No es nada fácil distinguir moléculas quirales opuestas, ya que se comportan de forma idéntica salvo que interactúen con otro objeto quiral. Desde el Max-Born-Institut explican que la luz ha sido durante mucho tiempo el candidato perfecto. Las oscilaciones del campo electromagnético dibujan una hélice quiral en el espacio, a lo largo de la dirección de propagación de la luz. Dependiendo de si la hélice gira en sentido horario o antihorario, la onda de luz tiene quiralidad izquierda o derecha, y puede interactuar de forma distinta con enantiómeros opuestos. Sin embargo, hay un problema de escala: esa hélice es mil veces más grande que las moléculas, que apenas pueden sentir su quiralidad.

Un nuevo método óptico

La solución propuesta consiste en sintetizar un tipo de luz completamente nuevo, que dibuja una estructura quiral no en el espacio sino en el tiempo. David Ayuso explica que "la quiralidad de esta nueva luz se puede ajustar para que un enantiómero interactúe activamente con ella y emita luz brillante en respuesta, mientras que su ‘gemelo espejo’ no emite nada". La luz quiral sintética "nos permite distinguir enantiómeros opuestos con una sensibilidad enorme", mucho mayor que la de los métodos tradicionales. De forma más limpia, más rápida, "al ser un método completamente óptico", y más eficiente, se podría conseguir ‘filtrar’ moléculas quirales y quedarnos solo con las que interesan. "Es muy común –destaca– que el proceso de síntesis de un medicamento genere una mezcla de versiones derecha e izquierda que tienen que ser separadas a posteriori".

Además, el dispositivo experimental propuesto utiliza tecnología láser estándar. "Simplemente requiere mezclar luz de dos frecuencias diferentes usando una geometría determinada. Todavía no ha sido implementado, pero varios grupos experimentales punteros están trabajando en ello", señala Ayuso. En principio, este método no requiere vacío y "simplemente hay que detectar la luz reemitida por las moléculas".

Esta nueva luz ‘cocinada’ en el laboratorio podría aplicarse de forma general y funcionar con cualquier tipo de molécula quiral, pero el dispositivo también "tiene ‘botones’ para ajustar la quiralidad de nuestra luz y optimizarla para cada molécula".

Algunas de las posibles aplicaciones de la luz quiral sintética son "completamente novedosas, no es posible llevarlas a cabo con luz convencional". Poder interactuar de forma muy distinta con moléculas quirales opuestas "podría permitirnos iniciar reacciones fotoquímicas a la carta, solo en moléculas de determinada quiralidad", así como "interconvertir los enantiómeros izquierdo y derecho de una misma molécula quiral de forma eficiente".

De izquierda a derecha, Andrés Ordoñez, Olga Smirnova y David Ayuso
De izquierda a derecha, Andrés Ordoñez, Olga Smirnova y David Ayuso

Un zaragozano en Berlín

David Ayuso lleva casi cuatro años trabajando como investigador posdoctoral en el Max-Born-Institut de Berlín. Este químico zaragozano de 35 años –licenciado en Química por la Universidad de Zaragoza y doctor por la Universidad Autónoma de Madrid–, se siente afortunado "de poder trabajar en el grupo de Olga Smirnova, una de las personas más brillantes que conozco y quien ha dirigido este trabajo" que ha logrado sintetizar un nuevo tipo de luz. Para conseguirlo, tuvieron que "desarrollar modelos computacionales que nos permitieran estudiar la interacción de la luz quiral sintética con moléculas quirales". Particularmente, Ayuso destaca el trabajo del físico colombiano Andrés Ordóñez, que está terminando su doctorado en el instituto alemán y que "ha contribuido de forma muy importante a la caracterización matemática de la luz quiral sintética y a que podamos entender los aspectos más fundamentales de la interacción de este nuevo tipo de luz con la materia quiral".

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