Nowa metoda separacji molekuł chiralnych w zależności od kierunku ich skręcenia przy użyciu nanostruktur magnetycznych

[KopalniaWiedzy.pl 358]

Międzynarodowy zespół naukowców, którego członkiem jest Profesor Lech Tomasz Baczewski z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie, uzyskał przełomowe wyniki w dziedzinie z pogranicza chemii fizycznej i fizyki magnetyzmu, które zostały właśnie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Science.

Badania dotyczyły nowej metody separacji enancjomerów poprzez oddziaływania pomiędzy molekułami chiralnymi i cienką warstwą magnetyczną z anizotropią prostopadłą. Separowanie enancjomerów (mieszaniny prawoskrętnych i lewoskrętnych molekuł chiralnych) jest bardzo istotnym zagadnieniem dla chemików, biologów, a także dla przemysłu farmaceutycznego.

W poprzednich pracach członków tego zespołu opisano mechanizm CISS (ang. chiral-induced spin selectivity), który pozwala na reorientację kierunku namagnesowania w ferromagnetykach, realizowaną tylko przez adsorpcję molekuł chiralnych bez przyłożenia prądu elektrycznego czy pola magnetycznego. Dzięki spinowo selektywnemu transferowi elektronów przez warstwę zaadsorbowanych molekuł do znajdującego się poniżej ferromagnetyka, staje się on także spolaryzowany spinowo, co wyznacza kierunek namagnesowania.

Kolejnym etapem badań było odkrycie nowego, bardzo ważnego zjawiska, tzn. możliwości separowania enancjomerów przez cienką warstwę ferromagnetyka z namagnesowaniem prostopadłym do powierzchni. Okazało się, że redystrybucja ładunku w molekule chiralnej powoduje zależność orientacji spinowej od kierunku skręcenia molekuły, czyli tzw. enenatiospecific spin orientation preference. Wykorzystano tu zjawisko odwrotne do pokazanego w poprzednich pracach, czyli indukowano konkretną polaryzację spinową w nanostrukturze ferromagnetycznej z anizotropią prostopadłą i adsorbowano na niej molekuły chiralne.

Zaobserwowano, że molekuły o jednym kierunku skręcenia są adsorbowane znacznie szybciej, gdy kierunek magnetyzacji warstwy ferromagnetycznego kobaltu jest skierowany w górę, a molekuły o odwrotnym kierunku skręcenia adsorbują szybciej dla kierunku magnetyzacji skierowanego do dołu. W prezentowanej metodzie ta separacja nie następuje wskutek działania pola magnetycznego, tylko poprzez kwantowe oddziaływania spinowo wymienne (ang. spin-exchange interaction) molekuł chiralnych z nanostrukturą ferromagnetyczną, na której zostały one zaadsorbowane.

Jak ważne jest zagadnienie separacji enancjomerów dla przemysłu farmaceutycznego, pokazuje tragiczna historia leku na ból głowy i nudności o nazwie Thalidomid. Dopiero po całej serii krytycznych, negatywnych, skutków ubocznych tego leku u pacjentek w ciąży i urodzonych przez nie dzieci z poważnymi wadami rozwojowymi, podjęte intensywne badania pokazały, że prawoskrętne molekuły chiralne są bardzo niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego, podczas gdy molekuły lewoskrętne stanowią efektywny lek. Od tego czasu przeznaczono ogromne środki finansowe na opracowanie skutecznej metody separacji enancjomerów, czyli oddzielenia molekuł lewoskrętnych od prawoskrętnych. W pracy opublikowanej w Science autorzy po raz pierwszy pokazali, że można tego dokonać przy zastosowaniu specjalnie przygotowanej nanostruktury magnetycznej. Pokazano, że obserwowany efekt separacji nie zależy od typu molekuł; stwierdzono taką samą skuteczność separacji zarówno dla aminokwasów, oligopeptydów, jak i dla struktur DNA. Taka uniwersalność stanowi niezmiernie ważną zaletę dla przemysłu farmaceutycznego, gdyż pozwala na zastąpienie obecnie stosowanych, bardzo kosztownych, kolumn separacyjnych, które muszą być konstruowane oddzielnie dla każdego typu molekuł.

Członkami międzynarodowego zespołu autorów pracy w Science są, oprócz profesora dr. hab. Lecha Tomasza Baczewskiego z IF PAN, badacze z renomowanych ośrodków naukowych w Izraelu (prof. Ron Naaman, Instytut Weizmanna i prof. Yossi Paltiel, Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie) oraz z Niemiec i USA (prof. Stuart, Instytut Maxa Plancka w Halle oraz Laboratorium IBM w Almaden, CA).

Praca została dodatkowo wyróżniona przez wcześniejsze opublikowanie jej on-line w Science First Release (DOI: 10.1126/science.aar4265) w dniu 10 maja 2018. Do tego wydania redakcja wybiera kilka najważniejszych jej zdaniem artykułów i publikuje je on-line przed ukazaniem się danego numeru czasopisma Science.

« powrót do artykułu