Revolutionair fotonisch effect versnelt medicijnontwikkeling

Gedraaide nanoschaal halfgeleiders manipuleren licht op een nieuwe manier. Dit effect kan benut worden om de ontdekking en ontwikkeling van levensreddende medicijnen alsook fotonische technologieën te versnellen.

Het fotonische effect kan helpen snelle ontwikkeling en screening van nieuwe antibiotica en andere geneesmiddelen via automatisering — essentieel, robotische chemici. Het biedt een nieuw analysetool voor high-throughput screening, een methode om enorme bibliotheken van chemische verbindingen te analyseren. Een klein monster van elk verbinding vult een putje op een microplaat. De putjes kunnen zo klein zijn als een kubieke millimeter, en een plaat de grootte van een chocoladereep kan er duizend van bevatten.

Een van de sleutelmetingen in medicijnanalyse is chiraliteit, of welke kant het molecuul draait. Biologische systemen, inclusief het menselijk lichaam, prefereren typisch de ene richting over de andere, een rechts- of linkshandige krul. Op zijn best doet een medicijnmolecuul met de verkeerde draai niets, maar op zijn ergst kan het schade veroorzaken. Het effect ontdekt door de onderzoekers stelt chiraliteit in staat te meten in volumes die 10.000 keer kleiner zijn dan een kubieke millimeter.

"De kleine volumes mogelijk voor registratie van deze effecten zijn de game-changing eigenschap die de onderzoekers in staat stelt om heel kleine hoeveelheden dure geneesmiddelen te gebruiken en duizenden keer meer data te verzamelen," zei Nicholas Kotov, Professor Chemische Wetenschappen en Engineering aan de Universiteit van Michigan.

De methode berust op een structuur geïnspireerd op biologische ontwerpen, ontwikkeld in Kotov's lab. Cadmium telluride, een halfgeleider gemeenschappelijk gebruikt in zonnecellen, gevormd in nanodeeltjes die lijken op korte segmenten van gedraaide lint. Deze assembleren in helices, namaken de manier waarop eiwitten assembleren.

Verlicht met rood licht, genereren de kleine halfgeleider helices nieuw licht dat blauw en gedraaid is. Het blauwe licht wordt ook in een specifieke richting uitgezonden, wat het makkelijk maakt om te verzamelen en te analyseren. De trifecta van ongewone optische effecten vermindert de ruis drastisch die andere nanoschaal moleculen en deeltjes in biologische vloeistoffen kunnen veroorzaken.

Om deze effecten in high throughput screening voor medicijnontdekking te gebruiken, kunnen de nanodeeltjes die in helices assembleren gemengd worden met een medicijnkandidaat. Wanneer de nanohelices een slot-en-sleutel structuur vormen met het medicijn, het medicijndoel simulerend, zal de draai van de nanohelices dramatisch veranderen. Deze verandering in de draai kan gemeten worden door het blauwe licht.