A natureza é repleta de sutilezas, e uma delas reside em moléculas que, apesar de compartilharem a mesma composição, comportam-se de maneiras opostas por serem imagens espelhadas uma da outra – as chamadas moléculas quirais. Diferenciá-las é um desafio crucial com vastas implicações biológicas e farmacêuticas. Para superar essa barreira, pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP e do Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel) desenvolveram um sensor ultrasensível capaz de identificar essas estruturas em concentrações mínimas, e até mesmo como moléculas isoladas.
O Enigma das Moléculas Quirais
Moléculas quirais são aquelas que não podem ser sobrepostas à sua imagem no espelho, assim como nossas mãos direita e esquerda. Essa propriedade é fundamental para a vida, presente em aminoácidos, proteínas, carboidratos e lipídios, e também em muitos medicamentos. “A quiralidade é importante porque duas moléculas com a mesma composição, mas quiralidades opostas, chamadas enantiômeros, podem ter comportamentos biológicos diferentes”, explica Osvaldo Novais de Oliveira Júnior, professor do IFSC/USP e um dos autores do estudo. Ele acrescenta que isso influencia interações bioquímicas e respostas a medicamentos no corpo humano, e alterações na quiralidade são discutidas na literatura como relevantes para doenças neurodegenerativas.
Superando o Desafio da Detecção
A principal dificuldade na detecção de moléculas quirais reside na fraqueza de seus sinais ópticos naturais. Como as moléculas são muito menores que o comprimento de onda da luz, as técnicas convencionais exigem altas concentrações ou grandes volumes de amostra. “Ao tentar detectar poucas moléculas, ou mesmo uma única isolada, esses sinais se aproximam do limite de detecção. Portanto, são necessárias estratégias mais complexas, caras ou que utilizam marcadores, o que pode dificultar medições rápidas e em tempo real”, detalha Oliveira Júnior.
A Tecnologia por Trás dos Nanodiscos
O novo dispositivo consiste em nanodiscos que confinam e amplificam campos eletromagnéticos, permitindo a detecção molecular através da resposta óptica que produzem. Em termos práticos, o sensor “enxerga” a molécula pela sua resposta óptica, revelada pela interação com a luz. Os nanodiscos são feitos de camadas alternadas de ouro (excelente para confinar a luz em escala nanométrica) e uma granada de ítrio e ferro substituída por cério – um material magneto-óptico ferrimagnético que reage fortemente a campos magnéticos. Essa combinação cria um campo eletromagnético que “força” a molécula quiral a revelar sua orientação espacial com muito mais intensidade do que a luz comum faria.
Segundo William Orivaldo Faria Carvalho, professor do Inatel e outro pesquisador envolvido, a metassuperfície é iluminada com luz polarizada circularmente (direita e esquerda) e um campo magnético é aplicado. “O sistema começa a refletir de forma diferente para as duas polarizações, gerando um sinal mensurável chamado dicromatismo circular magnético (MCD)”, explica. A presença de moléculas quirais na vizinhança da metassuperfície modifica essa resposta, tanto em deslocamentos de comprimento de onda quanto na amplitude do MCD, tornando possível identificar e quantificar o efeito quiral mesmo em concentrações muito baixas.
Aplicações Promissoras na Saúde e Farmácia
Embora o sistema tenha sido investigado teoricamente por meio de simulações numéricas, os resultados indicam um desempenho muito elevado, com sinais significativamente amplificados em comparação com abordagens convencionais. “A estratégia numericamente validada é compatível com técnicas de nanofabricação empregadas na literatura, o que sugere que a realização experimental da estrutura proposta é factível”, afirma Jorge Ricardo Mejía-Salazar, também professor do Inatel.
As aplicações mais diretas do dispositivo residem no biossensoriamento quiral ultrassensível e “label-free” (sem a necessidade de marcadores químicos, que podem alterar ou destruir a biomolécula). Isso é crucial para a medicina de precisão e a farmacologia. O sistema pode ser empregado no diagnóstico precoce através da detecção de biomoléculas em concentrações extremamente baixas, na análise e controle de qualidade de fármacos quirais e no monitoramento em tempo real de processos biológicos sem o uso de marcadores fluorescentes. Além disso, a capacidade de controle ativo por campo magnético pode abrir caminhos para novos componentes nanofotônicos compactos e outras aplicações no controle de ondas eletromagnéticas.
A pesquisa foi detalhada no artigo “Toward Optical Detection of Single Chiral Molecules Using Magneto-Optical Hyperbolic Metasurfaces”, publicado na revista científica ACS Applied Materials & Interfaces, e contou com a participação de William Orivaldo Faria Carvalho, Jorge Ricardo Mejía-Salazar e da estudante de graduação Ana Luísa Lyra Pavanelli, do Inatel, e Osvaldo Novais de Oliveira Júnior, do IFSC/USP.
Fonte: jornal.usp.br
