Хиральность в реальном времени

Различие между левосторонними и правосторонними (хиральными) молекулами имеет решающее значение в химии и науках о жизни и обычно достигается с помощью метода, называемого круговым дихроизмом. Однако во время биохимических реакций хиральный характер молекул может меняться. Ученые EPFL в настоящее время разработали метод, который использует ультракороткие, ультрафиолетовые импульсы для точного определения таких изменений в реальном времени в биомолекулярных системах.

В природе определенные молекулы с одинаковым химическим составом могут существовать в двух зеркальных конфигурациях, как человеческие руки. Это свойство известно как «хиральность», а молекулы с различной хиральностью называются энантиомерами.

Энантиомеры могут проявлять совершенно разные химические или биологические свойства, и их разделение является основной проблемой при разработке лекарств и в медицине.

Метод, обычно используемый для обнаружения энантиомеров, представляет собой спектроскопию кругового дихроизма (CD). Он использует тот факт, что свет, поляризованный в круговую волну (подобно водовороту), по-разному поглощается левосторонними и правосторонними энантиомерами. Стационарная CD-спектроскопия является основным структурным инструментом в (био) химическом анализе.

Во время функционирования биомолекулы претерпевают структурные изменения, которые влияют на их хиральные свойства. Исследование их в реальном времени (то есть между одной пикосекундой и одной наносекундой) дает представление об их биологической функции, но это было проблематичным в спектре глубокого УФ-излучения (длины волн ниже 300 нм), где большинство биологически значимых молекул, таких как аминокислоты, ДНК и пептидные спирали поглощают свет.

Ограничения связаны с отсутствием адекватных источников импульсного света и чувствительных схем обнаружения. Но теперь группа Маджеда Чергуи в Лозаннском центре наук (EPFL) разработала установку для визуализации хирального ответа (био) молекул с помощью КД-спектроскопии с разрешением 0,5 пикосекунды.

В установке используется фотоупругий модулятор, который представляет собой оптическое устройство, которое может контролировать поляризацию света. В этой системе модулятор позволяет переключать поляризацию от кадра к кадру последовательности фемтосекундных импульсов 20 кГц в глубоком УФ-диапазоне (250–370 нм). Затем можно регистрировать изменения хиральности молекул при различных задержках по времени после их возбуждения коротким лазерным импульсом.

«Аминокислотные остатки и основания ДНК поглощают свет ниже 300 нм», — говорит Малте Опперманн, автор статьи. «Эта установка является первой, которая охватывает такой регион, и мы успешно протестировали ее на модельной молекулярной системе. Наша следующая цель — перейти к более крупным биосистемам, таким как ДНК-олигомеры».

Malte Oppermann et al, Ultrafast broadband circular dichroism in the deep ultraviolet, Optica (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.6.000056