Novo ‘vórtice quiral’ de luz permite que químicos ‘vejam’ moléculas através do espelho

Uma estrutura de luz totalmente nova está ajudando a medir a quiralidade em moléculas de forma mais precisa e robusta do que nunca, em um grande passo potencial para a indústria farmacêutica.

Publicado em Fotônica da Naturezauma equipe do King’s College London e do Max Born Institute criaram uma estrutura de luz inteiramente nova que traça uma curva quiral ao longo do tempo. Essa curva quiral tem diferentes formas em diferentes pontos do espaço, formando uma estrutura de vórtice. Ao interagir com partículas quirais pelas quais se move ao longo do tempo, o novo “vórtice quiral” fornece uma forma precisa e robusta de medição.

Quiralidade é uma propriedade de assimetria importante em vários ramos da ciência, incluindo farmacologia. Algumas moléculas, como mãos humanas, vêm em pares: elas têm uma versão “destra” e uma “canhota”, que são versões espelhadas uma da outra, mas não podem ser colocadas uma em cima da outra para parecerem iguais.

Essa “lateralidade” da molécula (sua quiralidade) pode determinar como ela interage com sistemas biológicos como o corpo humano. Na década de 1950, a droga quiral talidomida foi dada a mulheres grávidas para combater sintomas de enjoo matinal durante a gravidez.

O medicamento foi distribuído em uma forma “racêmica”, contendo quantidades iguais de moléculas destras e canhotas. Quando foi descoberto que sua versão destra causava defeitos congênitos, dezenas de milhares de crianças e mães já tinham sido afetadas.

Ao testar a quiralidade de moléculas usadas na medicina, os desenvolvedores de medicamentos podem detectar tratamentos que podem causar danos antes que cheguem às prateleiras, e a detecção da quiralidade é uma questão fundamental em biologia e química. Métodos ópticos que usam luz para detecção de quiralidade são preferidos por químicos porque são mais fáceis e menos invasivos do que métodos químicos. No entanto, eles enfrentam uma série de desafios, incluindo a necessidade de grandes tamanhos de amostra para identificar com precisão a canhotice ou a destreza, o que pode ficar muito caro.

A nova pesquisa introduz uma estrutura de luz completamente nova: o campo elétrico da luz traça uma curva quiral ao longo do tempo, com uma lateralidade que muda conforme você gira em torno do feixe. Essa variação espacial de lateralidade cria então um “vórtice quiral”.

Quando moléculas quirais interagem com esse vórtice, elas emitem fótons por meio de um processo chamado geração de altos harmônicos (vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2023) em um padrão reconhecível que pode ser identificado por um experimento.

Quando a lateralidade da molécula é trocada, o padrão correspondente gira no espaço. Isso permite uma detecção mais precisa da lateralidade da amostra, quando comparado aos métodos padrão, pois eles dependem do campo magnético comparativamente fraco da luz, que produz um sinal muito mais fraco.

Dr. Nicola Mayer, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Max Born e novato Marie Skłodowska-Curie Actions Research Fellow no King’s College London, e autor do estudo, disse: “Medidas tradicionais de quiralidade têm lutado para identificar a concentração de moléculas destras e canhotas em amostras contendo quantidades quase iguais de ambas. Com nosso novo método, um pequeno excesso na concentração de qualquer gêmeo espelho pode ser detectado, como quando a amostra é 49% destra e 51% canhota. Em casos como a talidomida, sabemos que isso é o suficiente para fazer uma diferença transformadora.

“Ao focar na detecção de um padrão rotativo da luz emitida pelas moléculas, é muito mais fácil sentir e interpretar pequenas diferenças na lateralidade de amostras diluídas. Além disso, a natureza de vórtice do feixe de laser que projetamos significa que os sinais que recebemos são robustos contra as armadilhas comuns de experimentos de quiralidade no laboratório, como flutuações na intensidade da luz, capacitando mais pessoas a realizar esse trabalho.

“Esses sinais também podem fornecer um instantâneo de como os elétrons se movem dentro das moléculas em sua velocidade natural. Esse entendimento pode estabelecer as bases para moldar o comportamento dos elétrons e até mesmo influenciar reações químicas com a luz.”

A equipe também espera que o vórtice quiral possa eventualmente expandir o poder de processamento dos computadores quânticos, aumentando a quantidade de dados que os “bits quânticos” individuais podem transportar, imprimindo neles a característica de serem destros ou canhotos, como um código binário.