Руки (по-гречески cheir) обладают удивительным свойством: они являются зеркальными отражениями друг друга, но при этом не идентичны. Такое свойство объектов называется хиральностью. Оно имеет критическое значение для химии и биологии, ведь, подобно тому как правая перчатка не подходит к левой руке, молекулы с разной хиральностью взаимодействуют с окружающим миром иначе, чем их зеркальные «близнецы».
Хиральность на наноуровне как растяжение белков управляет светом
Но если перейти от химических реакций к взаимодействию света и вещества, последствия этого явления проявляются и в оптике. Свет тоже обладает собственной «хиральностью». Для электромагнитной волны её аналогом служит круговая поляризация. Свет с круговой поляризацией можно представить как поток фотонов, вектор электрического поля которых вращается по спирали: по часовой стрелке (правая поляризация) или против неё (левая поляризация). И здесь проявляется удивительная симметрия природы: точно так же, как хиральные молекулы различают «свою» и «чужую» пространственную организацию, они поглощают свет с левой и правой круговой поляризацией с разной интенсивностью. Эта тонкая разница в поглощении называется круговым дихроизмом (CD) и служит оптической «визитной карточкой» молекулярной асимметрии.
Однако у природных хиральных молекул есть серьёзное ограничение, связанное с круговым дихроизмом: их сигнал чрезвычайно слаб и проявляется преимущественно в глубоком ультрафиолете. Это затрудняет использование эффекта в практических целях, например для оперативного анализа энантиомерного состава веществ или создания компактных оптических устройств.
Именно эту проблему решает исследование, опубликованное в журнале Nature Materials в 2026 году группой учёных под руководством Цзывэй Чжоу, Николаса Котова и Андреаса Фери. Исследователи задались вопросом: можно ли передать хиральность от биомолекул к ахиральным (не обладающим зеркальной асимметрией) наночастицам золота, усилив сигнал до практически полезных величин? Ответ оказался положительным, причём с поразительной эффективностью.
Учёные создали систему, в которой золотые наночастицы диаметром около 70 нм (сами по себе ахиральные) выстраиваются в линейные цепочки. Между этими частицами закреплены молекулы белка бычьего сывороточного альбумина (BSA). Вся конструкция размещена на эластичной подложке из полидиметилсилоксана (PDMS), которую можно механически растягивать.
При растяжении подложки был обнаружен парадоксальный результат: сигнал кругового дихроизма вырос в 22 раза, достигнув рекордного для подобных систем фактора диссиметрии (g = 0,2). В хирооптике именно этот параметр (часто называемый g-фактором или фактором анизотропии поглощения) служит эталоном «силы» хирального отклика: он показывает, какую долю от общего поглощения составляет разница между лево- и правополяризованным светом. Значение 0,2 означает чрезвычайно сильный хирооптический эффект, превышающий традиционные молекулярные показатели в тысячу раз и сопоставимый с лучшими искусственно созданными хиральными метаматериалами.
Это произошло несмотря на то, что расстояние между частицами увеличилось: согласно традиционным представлениям, ослабление плазмонной связи должно было бы привести к затуханию сигнала. Ключ к разгадке кроется в самом белке: растяжение заставляет молекулы BSA менять конформацию, частично восстанавливая их α-спиральные структуры и оптимально ориентируя электрический диполь вдоль оси цепочки. Более того, учёные продемонстрировали обратимое управление сигналом: изменяя pH среды, можно модулировать хирооптический отклик, а система сохраняет стабильность более чем в 100 циклах растяжения-сжатия, самовосстанавливаясь после контакта с водой.
Открытый эффект открывает путь к созданию нового поколения биосенсоров, способных детектировать конформационные изменения белков в реальном времени, а также динамически управляемых хирооптических устройств для поляриметрии, телекоммуникаций и квантовых технологий.
Ссылка на статью https://doi.org/10.1038/s41563-026-02586-7
Автор: Степан Попович
Источник: Химическое информационное агентство