Neuer photonischer Effekt könnte Arzneimittelentwicklung beschleunigen

Verdrillte Halbleiter im Nanobereich manipulieren Licht auf neue Weise. Dieser Effekt könnte genutzt werden, um die Entdeckung und Entwicklung lebensrettender Medikamente sowie photonischer Technologien zu beschleunigen.

Der photonische Effekt könnte dazu beitragen, die schnelle Entwicklung und das Screening neuer Antibiotika und anderer Medikamente durch Automatisierung zu ermöglichen – im Wesentlichen Roboterchemiker. Es bietet ein neues Analysetool für das Hochdurchsatz-Screening, eine Methode zur Analyse riesiger Bibliotheken chemischer Verbindungen. Eine winzige Probe jeder Verbindung füllt eine Vertiefung auf einer Mikroplatte. Die Vertiefungen können bis zu einem Kubikmillimeter klein sein, und ein Teller von der Größe einer Tafel Schokolade kann tausend davon enthalten.

Eine der Schlüsselmessungen in der Arzneimittelanalyse ist die Chiralität oder wie sich das Molekül verdreht. Biologische Systeme, einschließlich des menschlichen Körpers, bevorzugen typischerweise eine Richtung gegenüber der anderen, eine rechtshändige oder linkshändige Locke. Im besten Fall bewirkt ein Arzneimittelmolekül mit der falschen Drehung nichts, aber im schlimmsten Fall kann es Schaden anrichten. Der von den Forschern entdeckte Effekt ermöglicht es, Chiralität in Volumina zu messen, die 10.000 Mal kleiner als ein Kubikmillimeter sind.

„Die kleinen Mengen, die für die Registrierung dieser Effekte möglich sind, sind die bahnbrechende Eigenschaft, die es den Forschern ermöglicht, sehr kleine Mengen teurer Medikamente zu verwenden und tausendmal mehr Daten zu sammeln“, sagte Nicholas Kotov, Professor für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Universität von Michigan.

Die Methode beruht auf einer von biologischen Mustern inspirierten Struktur, die in Kotovs Labor entwickelt wurde. Cadmiumtellurid, ein üblicherweise in Solarzellen verwendeter Halbleiter, wird zu Nanopartikeln geformt, die kurzen Segmenten eines verdrillten Bandes ähneln. Diese setzen sich zu Helices zusammen und ahmen die Art und Weise nach, wie sich Proteine ​​​​zusammensetzen.

Mit rotem Licht beleuchtet, erzeugen die kleinen Halbleiterspiralen neues Licht, das blau und verdreht ist. Das blaue Licht wird auch in eine bestimmte Richtung emittiert, was das Sammeln und Analysieren erleichtert. Das Trifecta ungewöhnlicher optischer Effekte reduziert drastisch das Rauschen, das andere nanoskalige Moleküle und Partikel in biologischen Flüssigkeiten verursachen können.

Um diese Effekte beim Hochdurchsatz-Screening für die Arzneimittelentdeckung zu nutzen, können die sich zu Helices anordnenden Nanopartikel mit einem Arzneimittelkandidaten gemischt werden. Wenn die Nanohelices mit dem Medikament eine Schloss-und-Schlüssel-Struktur bilden, die das Ziel des Medikaments simulieren, ändert sich die Verdrehung der Nanohelices dramatisch. Diese Änderung der Drehung kann durch das blaue Licht gemessen werden.