Miniaturowy „silnik” błyska i rotuje
Od 1999 roku chemicy potrafią tworzyć syntetyczne cząsteczki, które obracają się o 360o pod wpływem światła lub bodźców chemicznych. Te monofunkcyjne silniki mogą generować siły na powierzchni, przenosić substancje do czujników i zasilać urządzenia w nanoskali. Jednak naukowcy nie mogą ich łatwo kontrolować ani śledzić, gdyż są osadzone w nieprzezroczystej tkance biologicznej.
Według pracy opublikowanej w czasopiśmie „Science Advances”, silniki molekularne nowego typu rozwiązują oba te problemy – są w stanie przełączać się pomiędzy rotacją a fluorescencją pod wpływem światła o różnych długościach fali. „Niewiele związków chemicznych charakteryzuje się dwiema odmiennymi reakcjami na światło, a to jest pierwszy silnik wykazujący tę właściwość” – mówi współautor tej pracy Maxim Pshenichnikov, badacz z Rijksuniversiteit Groningen w Holandii.
Pshenichnikov i jego współpracownicy pod kierunkiem chemika organika z Groningen Bena Feringi, laureata Nagrody Nobla z 2016 roku, stworzyli cząsteczkę o podwójnej funkcji, dołączając substancję chemiczną zwaną trifenyloaminą do prostego silnika molekularnego, co pozwoliło mu reagować na światło w różny sposób. Światło niskoenergetyczne dawało silnikowi tylko tyle mocy, by mógł się obracać, podczas gdy światło wysokoenergetyczne go przewzbudzało, co skutkowało pozbyciem się nadmiaru energii poprzez emisję fotonów – powstawała fluorescencja. Ponadto, w odróżnieniu od typowych silników molekularnych napędzanych uszkadzającym tkanki światłem ultrafioletowym, ten nowy związek reagował na odcienie podczerwieni, które przenikają głębiej pod skórę, nie powodując jej uszkodzenia.
Tego rodzaju silnik fluorescencyjny mógłby znaleźć zastosowanie tam, gdzie wymagana jest precyzyjna lokalizacja – na przykład mógłby wchodzić w interakcje z różnymi strukturami komórkowymi, jednocześnie ukazując przebytą przez siebie drogę podczas dostarczania i aktywacji leku. „Jak wspaniale byłoby, gdybyśmy potrafili faktycznie śledzić ruch silnika w komórkach i wykorzystać go do mechanicznej ingerencji, dostarczania [leków] i diagnozy” – mówi Feringa.
Salma Kassem, chemiczka z City University of New York, która nie brała udziału w tych badaniach, twierdzi, że nowy silnik jest ważnym krokiem w kierunku farmakologii kontrolowanej światłem: „To spore wyzwanie, aby połączyć zdolność do raportowania danych i funkcjonalność w jednej małej cząsteczce tak, by te dwie właściwości nie wchodziły sobie w paradę. W tej pracy osiągnięto rozdzielenie obu tych ról w prosty i elegancki sposób”.
Badacze zamierzają wykorzystać tę technikę do otrzymania silnika z funkcją biologiczną, taką jak łączenie się z określonymi receptorami komórkowymi. Następnie przetestują jego działanie w żywych komórkach lub tkankach. Główny autor pracy Lukas Pfeifer, chemik organiczny z École polytechnique fédérale w Lozannie, mówi, że sukces tego rozwiązania „daje nadzieję, że możemy je łatwo przenieść na silniki wykonane z innych związków chemicznych”.