Nanotubi di silice per separare gli enantiomeri

Nota: questo articolo, pubblicato nel 2002, descrive uno studio dell'epoca sui nanotubi come membrane selettive. Il testo è mantenuto nella sua forma originale a scopo di archivio storico; nel campo delle nanotecnologie applicate alla medicina la ricerca è proseguita notevolmente nei decenni successivi.

Alla fine di questo articolo abbiamo inserito un paragrafo di aggiornamento riportando anche gli studi più recenti al 2026.

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Nei precedenti articoli riguardanti la nanotecnologia, si faceva riferimento ad interessanti applicazioni in campo medico che questa tecnologia poteva offrire.

In un recente articolo pubblicato su Science, alcuni ricercatori hanno testato l’efficacia di un nanotubo sintetico inserito in una membrana per separare una molecola farmacologicamente attiva nei suoi enantiomeri, isomeri che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro.

Cosa sono gli enantiomeri

Gli enantiomeri hanno proprietà fisiche identiche ad eccezione del senso di rotazione del piano della luce polarizzata.

La stereochimica è l’ambito all’interno della quale si collocano questi termini, utili per identificare le particolari disposizioni nello spazio di frammenti molecolari.

Una miscela d’enantiomeri è definita racemo, nel campo della farmacologia e della biochimica, sono numerosi gli esempi di molecole con diverse strutture stereoisomerie, ma solo una di queste con attività specifica (gli aminoacidi naturali sono tutti con configurazione L, quelli sintetici contengono entrambe le forme L e D, che devono essere separate).

L’industria e la ricerca farmaceutica, s’impegna oltre che nella scoperta di nuove molecole, anche nello sviluppo di tecniche per poterle separare e purificare.

Vari approcci sono stati, e sono tuttora, utilizzati a questo scopo: tecniche cromatografiche, separazione chimica e l’utilizzo di membrane.

Queste ultime, che trasportano selettivamente l’enantiomero d’interesse dalla miscela racemica verso una soluzione di ricevimento, presentano interessanti prospettive per il loro utilizzo nel futuro.

Questa tecnica richiede che un agente di riconoscimento enantiomerico sia incorporato nella membrana.

Molti studi sono stati compiuti nella messa a punto e sviluppo di questa tecnica usando come recettori, proteine ed enzimi.

Nell’articolo di Science, è stato usato come recettore un anticorpo, tecniche attualmente usata perché è relativamente facile ottenerli per via sintetica, clonazione o geneticamente modificati.

Gli anticorpi assicurano una costante di legame con il substrato di notevole entità.

Questa caratteristica si può dimostrare anche un difetto, poiché il recettore deve, una volta attraversata la membrana, rilasciare in modo selettivo la molecola verso la soluzione ricevente.

Nell’articolo in oggetto, è stata utilizzata una membrana costituita da un nanotubo di silice depositata e cresciuta, mediante tecniche sol-gel, su pori presenti su un film d’allumina.

All’interno del nanotubo, mediante reazioni chimiche, sono stati creati i siti recettori per legare l’anticorpo selettivo per la molecola in studio, la 4-[3-(4-fluorophenyl)-2-hydroxy-1-[1,2,4]triazol-1-yl-propyl]-benzonitrile inibitore dell’enzima aromatasi.

Questa molecola contiene 2 centri chinali che portano a considerare 4 stereoisomeri.

L’uso di un solvente, DMSO (dimetil sulfossido), ha permesso di regolare il meccanismo d’attacco e rilascio del recettore all’interno della membrana.

Conclusioni

I risultati presentati dai ricercatori, illustrano che questa membrana trasporta in modo selettivo l’enantiomero d’interesse che si lega in modo specifico all’anticorpo incorporato.
Inoltre si è notato che la selettività aumenta con il diminuire del diametro interno del nanotubo.

Sebbene tanti particolari debbano essere definiti e sperimentati, quest’articolo illustra, forse, la prima e vera importante applicazione della tecnologia dei sistemi nanomolecolari.

Per approfondire e comprendere meglio il concetto di stereochimica, stereoisomeria ed enantiomeri, si rimanda a qualsiasi testo di chimica organica o biochimica che possono illustrare vari esempi.

Sitografia

Sciencemag www.sciencemag.org

Racemic - Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Racemic

Bibliografia

Morrison, Boyd, "Chimica Organica", Casa Editrice Ambrosiana;

Voet, Voet "Biochimica", Zanichelli Editore;

C. R.Martin et al., "Antibody-based bio-nanotube membranes for enantiomeric drug separations", Science, vol. 296, 2198-2200, 2002,

J. Crosby, Tetrahedron, 47, 4789, 1991;

P.E. M. Overdevest et al., "Surfactant-based separations", American Chemical Society, Washington DC, 1999, chap. 9;

C. J. Brinker, G. W. Sherer, "Sol-Gel Science", Academic Pres, New York, 1990;

J. Livage, "Sol-gel processes", Current Opinion in Solid State and Materials Science, 1997, 2: 132-138;

Aggiornamento (2026)

Lo studio di Lee e colleghi qui descritto è rimasto un importante lavoro di principio, ma la membrana a nanotubi con anticorpi non è mai diventata lo standard industriale per separare i farmaci chirali. Ancora oggi la produzione farmaceutica si affida soprattutto a tecniche più consolidate, come la cromatografia chirale, la cristallizzazione diastereomerica e la sintesi asimmetrica, che restano però costose e difficili da scalare su grandi volumi.

L'idea di fondo del 2002, cioè usare una membrana con cavità su misura per lasciar passare un solo enantiomero, è stata ripresa negli ultimi anni con materiali diversi: i framework organici covalenti (covalent organic framework, COF), strutture porose cristalline che si possono progettare con canali di dimensione e chiralità controllate.

Nel 2025 un gruppo dell'Università Normale dello Zhejiang ha sviluppato una membrana COF chirale in grado di separare completamente gli enantiomeri di un farmaco complesso, con un'efficienza molto superiore ai primi prototipi degli anni Duemila (Gao e Ben, 2025).

Nel frattempo, la richiesta di tecniche di separazione più efficienti è cresciuta insieme al mercato: i farmaci chirali rappresentano oggi la maggioranza dei nuovi principi attivi approvati.

Fonte dell'aggiornamento

Gao X, Ben T, "Chiral substrate-induced chiral covalent organic framework membranes for enantioselective separation of macromolecular drug", Nature Communications 16: 5210, 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-60572-0.