Chirale fluorescente

2 marzo 2023

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dall'Università Sophia

Il diabete mellito, chiamato semplicemente diabete, è un disturbo metabolico caratterizzato dalla presenza di concentrazioni anormalmente elevate di glucosio nel sangue. I metodi esistenti per la diagnosi del diabete si basano su tecniche tradizionali di rilevamento del glucosio nei campioni di siero sanguigno, un processo tipicamente noioso e costoso.

Il riconoscimento molecolare è la scienza che permette di rilevare con precisione composti specifici sfruttando le loro proprietà leganti. Qui, una molecola recettore, una sorta di sensore, si lega selettivamente a una molecola bersaglio. Questo processo innesca alcune reazioni, ad esempio un cambiamento nella fluorescenza. Di conseguenza, il bersaglio viene rilevato. Sensori chimici, polimeri specializzati e alcune tecniche di catalisi funzionano secondo questo principio.

Nonostante i progressi nel riconoscimento molecolare nel corso di decenni, lo sviluppo di recettori per il rilevamento di molecole chirali (o asimmetriche) rimane una sfida. La chiralità dà luogo a coppie enantiomeriche, che sono "immagini speculari" non sovrapponibili della stessa molecola. Hanno proprietà fisiche e chimiche identiche ma funzioni biologiche diverse. Le loro strutture simili li rendono difficili da distinguere gli uni dagli altri. Pertanto, i ricercatori devono utilizzare tecniche complesse e costose, come la cromatografia liquida ad alte prestazioni, per distinguerli.

In questa luce, un gruppo di ricercatori, tra cui il professor Takashi Hayashita e il dottor Yota Suzuki del Dipartimento di Materiali e Scienze della Vita dell'Università di Sophia, ha progettato un nuovissimo metodo di riconoscimento della fluorescenza per rilevare il D-glucosio, un monosaccaride chirale, in acqua. Il loro lavoro è stato reso disponibile online il 20 dicembre 2022 e pubblicato su ACS Sensors il 27 gennaio 2023.

Il dottor Hayashita descrive la motivazione alla base della ricerca: "La maggior parte degli approcci per la progettazione di sensori chimici del D-glucosio richiedono sintesi complicate, spesso hanno scarsa solubilità in acqua e talvolta hanno scarsa selettività. Pertanto, è stato sviluppato un nuovo meccanismo di rilevamento."

I ricercatori hanno sviluppato un complesso costituito da γ-ciclodestrina (γ-CyD), che ha una cavità che fornisce un microambiente idrofobico per incapsulare spontaneamente i composti idrofobici in un ambiente acquoso. Hanno quindi sintetizzato facilmente due tipi di semplici recettori idrofobici fluorescenti a base di acido monoboronico: un recettore a base di acido 3-fluorofenilboronico (1F) e un recettore a base di acido piridilboronico (2N). Hanno attaccato due molecole di entrambi i recettori al γ-CyD.

I complessi di inclusione risultanti (1F/γ-CyD o 2N/γ-CyD) formavano una porzione di acido pseudo-diboronico che riconosceva selettivamente il D-glucosio nell'acqua nei suoi due siti. Ciò ha fortemente migliorato la fluorescenza della soluzione. Al contrario, è stata osservata solo una debole fluorescenza per altri nove saccaridi testati, tra cui D-fruttosio, D-galattosio e D-mannosio, che erano tipici saccaridi contenuti nel sangue. 1F/γ-CyD e 2N/γ-CyD hanno aumentato la fluorescenza rispettivamente di 2,0 e 6,3 volte per il D-glucosio, rispetto al suo enantiomero L-glucosio.

"Per quanto ne sappiamo, 2N/γ-CyD ha la più alta selettività D/L tra gli altri recettori fluorescenti basati su molecole di acido diboronico segnalati", afferma il dott. Suzuki.

I ricercatori hanno studiato ulteriormente questo fenomeno attraverso studi spettrali di dicroismo circolare indotto e risonanza magnetica nucleare. Hanno scoperto che una molecola di D-glucosio fa da ponte tra le due molecole di acido monoboronico. irrigidisce la struttura complessa ed esalta la fluorescenza. Nel caso dei saccaridi non glucosio, due diverse molecole si legano ai due siti della porzione di acido pseudo-diboronico. Di conseguenza, la fluorescenza rimane debole.