Luz quiral para detectar y manipular las ‘moléculas espejo’

Al igual que nuestras manos, algunas moléculas tienen quiralidad: aparecen en la naturaleza en parejas de lo que podemos denominar “gemelos espejo”. Es decir, a pesar de que una mano derecha se convierte en una mano izquierda si la miramos en un espejo, está claro que una mano derecha y una mano izquierda son diferentes. Lo mismo ocurre con muchas moléculas de relevancia biológica y otros objetos microscópicos. Y aunque las moléculas quirales son, en general, muy similares, algunas de sus propiedades pueden ser muy diferentes y pueden jugar un papel fundamental en el desarrollo de fármacos: mientras que una determinada molécula puede curar una enfermedad, su “gemelo espejo”, o enantiómero, puede ser tóxico o incluso letal.

Hasta ahora era extremadamente difícil distinguir e identificar moléculas quirales opuestas, porque se comportan de forma idéntica a menos que interactúen con otro objeto quiral. Pero el equipo de David Aguado, investigador del el Max-Born-Institut de Berlín, ha desarrollado una técnica que permite utilizar haces de luz para distinguir estas moléculas. “Hemos diseñado un nuevo tipo de luz que permite distinguir y controlar, completamente, moléculas quirales opuestas, algo que no había sido logrado hasta ahora”, explica a Next. “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”.

“Hemos diseñado un nuevo tipo de luz que permite distinguir y controlar moléculas quirales opuestas”

La luz ha sido durante mucho tiempo el candidato perfecto para detectar estas moléculas, según informa Natalia Stolyarchuk, de la Red de investigación de Berlín (FVB), pero la longitud de onda de la luz es aproximadamente mil veces más grande que el tamaño de las moléculas, lo que suponía el principal impedimento. La solución a este problema propuesta por el equipo de Aguado consiste en sintetizar un tipo de luz quiral completamente nuevo, que dibuja una estructura quiral no en el espacio, sino en el tiempo. “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 interactúe con ella en absoluto", explica Aguado. "La luz quiral sintética nos permite distinguir enantiómeros opuestos con una sensibilidad enorme, varios ordenes de magnitud superior a la de los métodos ópticos tradicionales”.

En un artículo publicado este lunes en la revista Nature Photonics, los autores describen matemáticamente las propiedades de este nuevo tipo de luz y demuestran sus predicciones mediante simulaciones computacionales. Además, aseguran, "proponemos cómo “cocinar” esta luz en un laboratorio: fusionando dos rayos láser convergentes que transportan ondas de luz de dos frecuencias distintas”. “Al ajustar el desfase entre las diferentes frecuencias”, añaden, “podemos controlar la quiralidad de esta luz sintética y seleccionar con qué tipo de moléculas (de quiralidad izquierda o derecha) interactuará fuertemente”.

“Lo novedoso es la capacidad que estamos adquiriendo de poder interaccionar con estas moléculas”

Para el investigador Carlos Hernández García, del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL), este trabajo es relevante e interesante, “ya que proponen generar campos eléctricos con una estructura “quiral” que nunca antes se había propuesto”, explica. “Además, a pesar de que no se ha hecho experimentalmente, no parece muy complejo poder generar estos campos quirales”. Hernández no ha participado en este trabajo, pero lideró el equipo que descubrió recientemente una nueva propiedad de la luz, denominada genéricamente “torque” y que ocupó la portada de la revista Science. “Lo novedoso de este campo en los últimos años es la capacidad que estamos adquiriendo de poder observar e interaccionar con estas moléculas en tiempo ultrarrápidos”, apunta. “Ahora somos capaces de excitar, romper y disociar este tipo de moléculas quirales, y hacer una “película" de estos procesos. Yo creo que desde el punto de vista fundamental es algo muy relevante ya que estamos accediendo a información que desconocíamos”.

¿Y para qué? Como siempre, en ciencia básica, es difícil prever las aplicaciones futuras, pero los autores ya adelantan posibles utilidades en los campos de la química y la biología. Tal vez e pueda aplicar la luz quiral sintética para visualizar e incluso manipular reacciones químicas quirales en tiempo real, o inducir cambios en la quiralidad de las moléculas. O para separar espacialmente moléculas quirales opuestas utilizando láseres ultrarrápidos.

Referencia: Synthetic chiral light for efficient control of chiral light–matter interaction (Nature Photonics) DOI 10.1038/s41566-019-0531-2 | Con información de Natalia Stolyarchuk, del Forschungsverbund Berlin e.V.