Nieuw fotonisch effect kan de ontwikkeling van geneesmiddelen versnellen

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

Het fotonische effect zou kunnen helpen bij de snelle ontwikkeling en screening van nieuwe antibiotica en andere medicijnen door middel van automatisering - in wezen robotchemici. Het biedt een nieuwe analysetool voor screening met hoge doorvoer, een methode om enorme bibliotheken van chemische verbindingen te analyseren. Een klein monster van elke verbinding vult een putje op een microplaat. De putjes kunnen zo klein zijn als een kubieke millimeter, en een bord ter grootte van een chocoladereep kan er duizend bevatten.

Een van de belangrijkste metingen bij medicijnanalyse is chiraliteit, of de manier waarop het molecuul draait. Biologische systemen, inclusief het menselijk lichaam, geven doorgaans de voorkeur aan de ene richting boven de andere, een rechtshandige of linkshandige krul. In het beste geval doet een medicijnmolecuul met de verkeerde draai niets, maar in het slechtste geval kan het schade aanrichten. Het door de onderzoekers ontdekte effect maakt het mogelijk chiraliteit te meten in volumes die 10.000 keer kleiner zijn dan een kubieke millimeter.

"De kleine hoeveelheden die mogelijk zijn voor het registreren van deze effecten zijn de baanbrekende eigenschap die de onderzoekers in staat stelt zeer kleine hoeveelheden dure medicijnen te gebruiken en duizenden keren meer gegevens te verzamelen", zegt Nicholas Kotov, hoogleraar Chemische Wetenschappen en Engineering aan de Universiteit van Michigan.

De methode is gebaseerd op een structuur geïnspireerd op biologische ontwerpen, ontwikkeld in het laboratorium van Kotov. Cadmiumtelluride, een halfgeleider die vaak wordt gebruikt in zonnecellen, wordt gevormd tot nanodeeltjes die lijken op korte segmenten van gedraaid lint. Deze assembleren tot helices en bootsen de manier na waarop eiwitten assembleren.

De kleine halfgeleiderhelices worden verlicht met rood licht en genereren nieuw licht dat blauw en gedraaid is. Het blauwe licht wordt ook in een bepaalde richting uitgestraald, waardoor het gemakkelijk te verzamelen en te analyseren is. De trifecta van ongebruikelijke optische effecten vermindert drastisch de ruis die andere moleculen en deeltjes op nanoschaal in biologische vloeistoffen kunnen veroorzaken.

Om deze effecten te gebruiken bij screening met hoge doorvoer voor het ontdekken van geneesmiddelen, kunnen de nanodeeltjes die tot helices worden samengevoegd, worden gemengd met een kandidaat-geneesmiddel. Wanneer de nanohelices een lock-and-key-structuur vormen met het medicijn, waarbij het medicijndoel wordt gesimuleerd, zal de draaiing van de nanohelices dramatisch veranderen. Deze verandering in de draaiing kan worden gemeten door het blauwe licht.