La recherche dévoile un nouveau mécanisme de transfert de chiralité entre les molécules à l’échelle nanométrique


recherche-devoile-un-nouveau-mecanisme-de-transfert-de-chiralite.jpg" alt="Neuer Mechanismus zur Chiralitätsübertragung zwischen Molekülen im Nanobereich" title="a Abbildungen von Rshort- und Rlong-Geräten. b Definition des Drehwinkels θ. c Detail des Einlassbereichs von Fluidikgeräten. Um eine konzentrische hydrodynamische 3D-Fokussierung zu erreichen, wurde eine 2 mm lange konzentrische Nadel entwickelt, um die durch den zentralen Einlass in die Mitte des Hauptkanals injizierte Lösung abzugeben, während sie von der Hülle umgeben ist, die durch die durch die seitlichen Einlässe zugeführten Lösungen erzeugt wird. d Schema der protonierungsinduzierten Aggregation von TPPS3 zu intrinsisch chiralen J-Aggregaten (Anmerkung: In der Zeichnung des Porphyrins stellen die gelben Kugeln die Phenylringe dar, die entweder die Sulfonatgruppe tragen oder nicht). e 2D-Darstellung der Trajektorien der Sekundärströmung, die sich innerhalb der Rshort- (links) und Rlong- (rechts) Vorrichtungen bildet, die unterschiedliche relative Größen der gegenläufigen CW- und CCW-Wirbel in kurzen und langen Helices zeigen. Das Porphyrin wird in die Mitte des Kanals (rote Farbe) injiziert, umgeben von einer Hülle aus Säurelösung (blauer Bereich). Randbedingungen: 15 µM TPPS3 am zentralen Eingang, 10 mM HCl an den seitlichen Eingängen. Bildnachweis: Sevim et al., Communication Nature (2022) » largeur= »685″ hauteur= »530″/>

a Illustrations des dispositifs Rshort et Rlong. b Définition de l’angle de rotation θ. c Détail de la zone d’entrée des appareils fluidiques. Pour obtenir une focalisation hydrodynamique concentrique 3D, une aiguille concentrique de 2 mm de long a été conçue pour délivrer la solution injectée par l’entrée centrale au centre du canal principal tout en étant entourée par la gaine injectée par solutions d’entrées latérales. d Schéma de l’agrégation induite par la protonation de TPPS3 en agrégats J intrinsèquement chiraux (note : dans le dessin de la porphyrine, les sphères jaunes représentent les cycles phényle, qui portent ou non le groupe sulfonate). e Représentation 2D des trajectoires d’écoulement secondaire se formant dans les dispositifs Rshort (à gauche) et Rlong (à droite) montrant différentes tailles relatives de tourbillons CW et CCW contrarotatifs dans des hélices courtes et longues. La porphyrine est injectée au centre du canal (couleur rouge), entourée d’une enveloppe de solution acide (zone bleue). Conditions aux limites : 15 µM TPPS3 à l’entrée centrale, 10 mM HCl aux entrées latérales. Crédit photo : Sevim et al., communication nature (2022)

Si nous comparons la main droite avec la main gauche, nous pouvons voir qu’elles sont des images miroir – c’est-à-dire comme des formes symétriques réfléchies dans un miroir – et qu’elles ne peuvent pas se chevaucher. Cette propriété est la chiralité, une propriété de la matière qui joue avec la symétrie des structures biologiques à différentes échelles, de la molécule d’ADN au tissu du muscle cardiaque.

Un nouvel article est maintenant paru dans le magazine communication nature révèle un nouveau mécanisme de transfert de la chiralité entre les molécules à l’échelle nanométrique, selon une étude menée par le conférencier Josep Puigmartí-Luis de la Faculté de chimie et de l’Institut de chimie théorique et computationnelle (IQTC) de l’Université de Barcelone.

Chiralité : des particules élémentaires aux biomolécules

La chiralité est une propriété intrinsèque de la matière qui détermine l’activité biologique des biomolécules. « La nature est asymétrique ; elle a une gauche et une droite et peut les distinguer. Les biomolécules qui composent la matière vivante – acides aminés, sucres et lipides – sont chirales : elles sont constituées de molécules chimiquement identiques qui sont des images miroir les unes des autres (énantiomères), une caractéristique qui fournit des propriétés différentes en tant que composés actifs (activité optique). , action pharmacologique, etc.) », note Josep Puigmartí-Luis, chercheur à l’ICREA et membre du Département de science des matériaux et de chimie .

« Les énantiomères sont chimiquement identiques jusqu’à ce qu’ils soient placés dans un environnement chiral qui peut les distinguer (comme la bonne chaussure « reconnaît » le pied droit). Les systèmes vivants composés de molécules homochirales sont des environnements chiraux (ayant le même énantiomère), sont des environnements chiraux, ils peuvent donc « reconnaître » les espèces énantiomériques et y répondre différemment. De plus, ils peuvent facilement contrôler le signe de la chiralité dans les processus biochimiques qui entraînent des transformations stéréospécifiques.

Comment obtenir des molécules chirales par des réactions chimiques

Le contrôle de la chiralité est essentiel dans la fabrication de produits pharmaceutiques, de pesticides, d’arômes, de saveurs et d’autres composés chimiques. Chaque énantiomère (molécule avec une symétrie spécifique) a une activité spécifique qui diffère de l’autre composé chimiquement identique (son miroir). Dans de nombreux cas, l’activité pharmacologique d’un énantiomère peut être faible et dans le pire des cas, il peut être très toxique. « Par conséquent, les chimistes doivent être capables de synthétiser des composés sous forme d’énantiomères uniques, ce qu’on appelle la synthèse asymétrique », explique Puigmartí-Luis.

Il existe plusieurs stratégies pour contrôler le signe de la chiralité dans les processus chimiques. Par exemple, en utilisant des composés naturels énantiomériquement purs connus sous le nom de pool chiral (par exemple, des acides aminés, des hydroxyacides, des sucres) comme précurseurs ou réactifs qui, après une série de modifications chimiques, peuvent devenir un composé d’intérêt. La résolution chirale est une autre option qui permet la séparation des énantiomères grâce à l’utilisation d’un agent de résolution énantiopur et la récupération des composés d’intérêt sous forme d’énantiomères purs. L’utilisation d’auxiliaires chiraux, qui aident un substrat à réagir de manière diastéréosélective, est une autre méthode efficace pour obtenir un produit énantiopur. Enfin, la catalyse asymétrique – basée sur l’utilisation de catalyseurs asymétriques – est la meilleure méthode pour réaliser une synthèse asymétrique.

« Chaque méthode décrite ci-dessus a ses propres avantages et inconvénients », note Alessandro Sorrenti, membre de la section de chimie organique de l’Université de Barcelone et collaborateur à l’étude. « Par exemple, la résolution chirale – la méthode la plus largement utilisée pour la production industrielle de produits énantiomériquement purs – est intrinsèquement limitée à un rendement de 50 %. Le pool chiral est la source la plus courante de composés énantiomériquement purs, mais généralement un seul énantiomère est disponible.Les procédés chiraux-auxiliaires peuvent offrir des excès énantiomériques élevés, mais nécessitent des phases synthétiques supplémentaires pour l’ajout et l’élimination du composé auxiliaire, ainsi que des étapes de purification . Enfin, les catalyseurs chiraux ne peuvent et ne sont efficaces qu’en petites quantités, mais ils ne fonctionnent relativement bien que dans quelques réactions. »

« Toutes les méthodes mentionnées utilisent des composés énantiomériquement purs – sous forme d’agents de résolution, d’auxiliaires ou de ligands pour catalyseurs métalliques – qui proviennent finalement directement ou indirectement de sources naturelles. En d’autres termes, la nature est la forme ultime de l’asymétrie.

Contrôle du signe de la chiralité par la dynamique des fluides

Le nouvel article décrit comment la modulation de la géométrie d’un réacteur hélicoïdal au niveau macroscopique permet de contrôler le signe de la chiralité d’un processus à l’échelle du nanomètre, une découverte jusqu’alors inédite dans la littérature scientifique.

De plus, la chiralité descendante est traduite au niveau moléculaire par la manipulation du tube hélicoïdal grâce à l’interaction de l’hydrodynamique des flux secondaires asymétriques et du contrôle spatio-temporel des gradients de concentration de réactif.

« Pour que cela fonctionne, il faut comprendre et caractériser les phénomènes de transport se produisant dans le réacteur, à savoir la dynamique des fluides et le transport de masse, qui déterminent la formation des fronts de concentration des réactifs et le positionnement de la zone de réaction dans des régions de chiralité spécifique,  » note Puigmarti-Luis.

Dans un canal en , l’écoulement est plus complexe que dans un canal droit car les parois courbes créent des forces centrifuges qui conduisent à la formation d’écoulements secondaires dans le plan perpendiculaire à la direction du fluide (écoulement principal). Ces flux secondaires (vortex) ont une double fonction : ils sont des régions de chiralité opposée et fournissent l’environnement chiral nécessaire à l’énantiosélection. Également par advection à l’intérieur de l’appareil et pour créer des gradients de concentration de réactifs.

En modulant la géométrie du réacteur en spirale au niveau macroscopique, « il est possible de contrôler l’asymétrie des flux secondaires de telle manière que la zone de réaction – la zone où les réactifs de concentration appropriée se rencontrent pour la réaction – soit irradiée exclusivement vers un des deux tourbillons et donc d’une chiralité spécifique.Ce mécanisme de transfert de chiralité, basé sur le contrôle rationnel de l’écoulement de fluide et du transport de masse, permet in fine de contrôler l’énantiosélection en fonction de la chiralité macroscopique du réacteur hélicoïdal, où la latéralité de l’hélice détermine le sens de l’énantiosélection », explique Puigmarti Luis.

Les résultats ont mis en lumière de nouvelles frontières pour réaliser l’énantiosélection au niveau moléculaire – sans utiliser de composés énantiomériquement purs – simplement en combinant la géométrie et les conditions de fonctionnement des réacteurs fluides. « De plus, notre étude fournit de nouvelles informations fondamentales sur les mécanismes sous-jacents au transfert de chiralité et montre que cette propriété intrinsèque de la matière vivante repose sur l’interaction de contraintes physiques et chimiques agissant en synergie sur plusieurs échelles de longueur », conclut Josep Puigmartí-Luis.


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Plus d’information:
Semih Sevim et al, Transfert de chiralité d’une macroforme 3D au niveau moléculaire en contrôlant les flux secondaires asymétriques, communication nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29425-y

Fourni par l’Université de Barcelone

Citation: Research Reveals a New Mechanism for Transferring Chirality Between Nanoscale Molecules (26 avril 2022) Extrait le 26 avril 2022 de https://phys.org/news/2022-04-reveals-mechanism-chirality-molecules-nanoscale. html

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