Revolutionärer photonischer Effekt beschleunigt Medikamentenentwicklung

Verdrehte nanoskalige Halbleiter manipulieren Licht auf eine neue Art. Dieser Effekt könnte genutzt werden, um die Entdeckung und Entwicklung lebensrettender Medikamente sowie photonischer Technologien zu beschleunigen.

Der photonische Effekt könnte helfen, schnelle Entwicklung und Screening neuer Antibiotika und anderer Medikamente durch Automatisierung zu ermöglichen – im Wesentlichen robotische Chemiker. Er bietet ein neues Analysetool für High-Throughput-Screening, eine Methode zur Analyse riesiger Bibliotheken chemischer Verbindungen. Ein winziges Sample jeder Verbindung füllt ein Well auf einer Mikroplatte. Die Wells können so klein wie ein Kubikmillimeter sein, und eine Platte in Größe eines Schokoriegels kann tausend davon enthalten.

Eine der Schlüsselmetriken in der Medikamentenanalyse ist Chiralität, also in welche Richtung das Molekül sich dreht. Biologische Systeme, einschließlich des menschlichen Körpers, bevorzugen typischerweise eine Richtung gegenüber der anderen – eine rechts- oder linkshändige Windung. Im besten Fall tut ein Medikamentenmolekül mit der falschen Drehung nichts, im schlimmsten Fall kann es Schaden verursachen. Der von den Forschern entdeckte Effekt erlaubt Chiralitätsmessung in Volumina, die 10.000-mal kleiner sind als ein Kubikmillimeter.

„Die kleinen Volumen, die für die Registrierung dieser Effekte möglich sind, sind die spielverändernde Eigenschaft, die es Forschern ermöglicht, sehr kleine Mengen teurer Medikamente zu nutzen und tausendmal mehr Daten zu sammeln“, sagt Nicholas Kotov, Professor für Chemische Wissenschaften und Engineering an der University of Michigan.

Die Methode basiert auf einer von biologischen Designs inspirierten Struktur, die in Kotovs Labor entwickelt wurde. Cadmiumtellurid, ein Halbleiter, der häufig in Solarzellen verwendet wird, wird in Nanopartikel geformt, die kurzen Segmenten verdrehter Bänder ähneln. Diese assemblieren sich zu Helices, die die Art nachahmen, wie Proteine sich assemblieren.

Bei Bestrahlung mit rotem Licht erzeugen die kleinen Halbleiter-Helices neues Licht, das blau und verdreht ist. Das blaue Licht wird auch in eine spezifische Richtung emittiert, was es einfach macht, es zu sammeln und zu analysieren. Das Trifektum ungewöhnlicher optischer Effekte reduziert drastisch das Rauschen, das andere nanoskalige Moleküle und Partikel in biologischen Flüssigkeiten verursachen könnten.

Um diese Effekte im High-Throughput-Screening für Medikamentenentdeckung zu nutzen, können die Nanopartikel, die sich zu Helices assemblieren, mit einem Medikamentenkandidaten gemischt werden. Wenn die Nanohelices eine Schloss-und-Schlüssel-Struktur mit dem Medikament bilden, die das Medikamentenziel simuliert, wird sich die Drehung der Nanohelices dramatisch ändern. Diese Änderung der Drehung kann durch das blaue Licht gemessen werden.