Nuevo mecanismo para transferir la quiralidad entre moléculas en el mundo de la nanoescala

Quiralidad: de las partículas fundamentales a las biomoléculas

29.04.2022 - España

Si confrontamos la mano derecha con la izquierda, podremos comprobar que mantienen una relación especular —es decir, como formas simétricas reflejadas en un espejo— y no se pueden superponer entre sí. Esta propiedad es la quiralidad, una característica de la materia que juega con la simetría de las estructuras biológicas a diferentes escalas, desde la molécula del ADN hasta los tejidos del músculo cardíaco.

Ahora, un nuevo artículo publicado en la revista Nature Communications revela un mecanismo que permite transferir la quiralidad entre moléculas en el mundo de la nanoescala. El estudio ha sido dirigido por el profesor Josep Puigmartí-Luis, de la Facultad de Química y el Instituto de Química Teórica y Computacional (IQTC) de la Universidad de Barcelona.

Quiralidad: de las partículas fundamentales a las biomoléculas

La quiralidad es una propiedad intrínseca de la materia que determina la actividad biológica de las biomoléculas. «La naturaleza es asimétrica, es decir, hay una banda derecha y una izquierda y se pueden distinguir entre sí. Las biomoléculas que forman la materia viva —aminoácidos, azúcares o lípidos— son quirales: están formadas por moléculas químicamente idénticas que son imágenes especulares entre sí (enantiómeros), una característica que les confiere distintas propiedades como compuestos activos (actividad óptica, acción farmacológica, etc.)», explica Josep Puigmartí-Luis, investigador ICREA y miembro del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física.

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«Los enantiómeros —prosigue el investigador— son químicamente idénticos hasta que se colocan en un entorno quiral que los pueda diferenciar (como el zapato derecho en el que encaja el pie derecho). Los sistemas vivos, integrados por moléculas homoquirales (es decir, con el mismo enantiómero o forma quiral), son entornos quirales que pueden reconocer y responder de una manera diferente a las especies enantioméricas. Además, pueden controlar fácilmente el signo quiral en procesos bioquímicos que dan lugar a transformaciones estereoespecíficas».

¿Cómo obtener moléculas quirales mediante reacciones químicas?

El control de la quiralidad es decisivo en la fabricación de fármacos, pesticidas, aromas, sabores y otros compuestos químicos. Cada enantiómero (molécula con simetría determinada) tiene una actividad concreta y distinta de la del otro compuesto químicamente idéntico (su imagen especular). En muchos casos, la actividad farmacológica de un enantiómero puede ser muy escasa o, en el peor de los casos, potencialmente tóxica. «Por tanto, los químicos deben ser capaces de sintetizar compuestos como enantiómeros únicos a través de un proceso conocido como síntesis asimétrica», apunta Puigmartí-Luis.

Existen diversas estrategias para controlar el signo de quiralidad en los procesos químicos. Por ejemplo, utilizar compuestos enantioméricamente puros de origen natural —los que pertenecen a la llamada piscina quiral: aminoácidos, hidroxiácidos o azúcares, por ejemplo)— como precursores o reactivos que pueden convertirse en un compuesto de interés tras una serie de modificaciones químicas. La resolución quiral es otra opción que permite separar enantiómeros usando un agente de resolución enantioméricamente puro, y así recuperar finalmente los compuestos de interés como enantiómeros puros. El uso de auxiliares quirales que ayudan a un sustrato a reaccionar de manera diastereoselectiva también es una metodología eficaz para obtener un producto enantioméricamente puro. Finalmente, la catálisis asimétrica —basada en el uso de los catalizadores asimétricos— se perfila como el mejor procedimiento para alcanzar la síntesis asimétrica.

Cada uno de los métodos descritos tiene sus propios pros y contras. Así lo explica Alessandro Sorrenti, miembro de la Sección de Química Orgánica de la Universidad de Barcelona y colaborador en el trabajo: «Por ejemplo, la resolución quiral —el método más extendido para la síntesis industrial de productos enantioméricamente puros— está intrínsecamente limitada a un rendimiento del 50 %. La piscina quiral es la fuente más abundante de compuestos enantiopuros, pero normalmente solo hay un enantiómero disponible. El método del auxiliar quiral puede ofrecer altos excesos enantioméricos, pero exige fases sintéticas adicionales para añadir y eliminar el compuesto auxiliar, así como pasos de purificación. Finalmente, los catalizadores quirales pueden ser muy eficientes y solo se utilizan en pequeñas cantidades, pero solo funcionan muy bien en un número relativamente limitado de reacciones».

«Hay que recordar —puntualiza Sorrenti— que en todos los métodos citados se utilizan compuestos enantioméricamente puros en forma de agentes resolutivos, auxiliares o ligandos para catalizadores metálicos. En última instancia, estos compuestos derivan directa o indirectamente de fuentes naturales. En otras palabras: la naturaleza es la forma definitiva de asimetría».

Controlar el signo de quiralidad a través de la dinámica de fluidos

El nuevo artículo describe cómo es posible controlar el signo de quiralidad de un proceso químico de autoensamblaje a escala nanométrica modulando la geometría de un reactor helicoidal a nivel macroscópico, un descubrimiento sin precedentes en la bibliografía científica sobre este tema.

Así pues, la quiralidad se transfiere de arriba a abajo, a partir de la manipulación del tubo helicoidal hasta la escala molecular, mediante la interacción de la hidrodinámica de los flujos secundarios asimétricos y el control espaciotemporal preciso de los gradientes de concentración de reactivos.

«Para que esto funcione, es fundamental entender y caracterizar los fenómenos de transporte que se producen dentro del reactor, es decir, la dinámica de fluidos y el transporte de masas, que determinan la formación de frentes de concentración de reactivos y el posicionamiento de la zona de reacción en regiones de quiralidad específica», apunta Puigmartí-Luis.

En un canal helicoidal, el flujo es más complejo que en un canal recto, ya que las paredes curvas generan fuerzas centrífugas que originan flujos secundarios en el plano perpendicular a la dirección del fluido (flujo principal). Estos flujos secundarios (vórtices) tienen una doble función: por una parte, son regiones de quiralidad opuesta y constituyen así el entorno quiral necesario para la enantioselección; por otra, son responsables del transporte de masa por advección dentro del dispositivo y del desarrollo de gradientes de concentración de reactivos.

Al modular la geometría del reactor helicoidal a nivel macroscópico, «es posible controlar la asimetría de los flujos secundarios de manera que la zona de reacción —la región donde se encuentran los reactivos a una concentración adecuada para reaccionar— quede expuesta exclusivamente a uno de los dos vórtices y, por tanto, a una quiralidad específica», explica Puigmartí-Luis. Basado en el control del flujo de fluidos y el transporte de masa, este mecanismo de transferencia de quiralidad permite, en última instancia, controlar la enantioselección en función de la quiralidad macroscópica del reactor helicoidal, la manipulación de cuya hélice determina el sentido de la enantioselección.

El descubrimiento abre nuevas fronteras para la enantioselección a nivel molecular —sin el uso de compuestos enantiopuros— solo combinando la geometría y las condiciones de funcionamiento de los reactores fluídicos. «Además, nuestro trabajo aporta una visión fundamental de los mecanismos subyacentes a la transferencia de la quiralidad, y revela que esta propiedad intrínseca de la materia viva se basa en la interacción de restricciones físicas y químicas que actúan de forma sinérgica a través de múltiples escalas», concluye el profesor Josep Puigmartí-Luis.