Il lavoro dell'emoglobina sembra essere abbastanza semplice:trasporta le molecole di ossigeno attraverso il flusso sanguigno. Ma funziona così bene solo perché la molecola dell'emoglobina è estremamente complessa. Lo stesso vale per la clorofilla, che converte la luce solare in energia per le piante.

Per comprendere i sottili trucchi di molecole così complesse, vale la pena studiare strutture simili ma più semplici in laboratorio. Ricercatori di TU Wien (Vienna) e Trieste, studiato ftalocianine, che hanno una struttura ad anello molecolare molto simile alle sezioni cruciali dell'emoglobina o della clorofilla. Si scopre che il centro di queste strutture ad anello può essere commutato in diversi stati sotto luce verde, che influenza il loro comportamento chimico.

Questo non solo aiuta a comprendere i processi biologici, apre anche nuove possibilità per utilizzare i trucchi della natura in laboratorio per altri scopi, una strategia chiamata biomimetica che sta diventando sempre più importante.

Anelli con atomi di metallo al centro

"Le ftalocianine che studiamo sono coloranti colorati con una caratteristica struttura ad anello, " afferma il prof. Günther Rupprechter dell'Istituto di chimica dei materiali presso l'Università di tecnologia di Vienna. "L'elemento cruciale per questa struttura ad anello è che può contenere un atomo di ferro al centro, proprio come l'eme, il colorante rosso a forma di anello nell'emoglobina. La clorofilla ha un anello simile che cattura gli atomi di magnesio. "

A differenza delle molecole naturali più complesse, i coloranti di ftalocianina su misura possono essere regolarmente affiancati su una superficie, come piastrelle su una parete del bagno. "Gli anelli sono stati posizionati su uno strato di grafene in uno schema regolare, in modo che sia stato creato un cristallo bidimensionale di anelli di tintura, "dice Matteo Roiaz, che ha condotto gli esperimenti insieme a Christoph Rameshan.

"Questo ha il vantaggio di poter esaminare molte molecole contemporaneamente, che ci dà segnali di misurazione molto più forti, " spiega Rameshan.

Le molecole di monossido di carbonio sono servite come sonde per studiare questi anelli:una molecola può legarsi all'atomo di ferro, che si tiene al centro dell'anello. Dalla vibrazione della molecola di monossido di carbonio si possono ricavare informazioni sullo stato dell'atomo di ferro.

Per studiare la vibrazione, la molecola è stata irradiata con luce laser verde e infrarossa. Questa misurazione ha prodotto un risultato che a prima vista sembrava fortemente controintuitivo:"Non abbiamo semplicemente misurato una singola frequenza vibrazionale del monossido di carbonio. Invece, abbiamo trovato quattro frequenze diverse. Nessuno si aspettava questo, " dice Günther Rupprechter. "Gli atomi di ferro sono tutti identici, quindi le molecole di CO ad esse attaccate dovrebbero mostrare tutte esattamente lo stesso comportamento".

Come si è scoperto, la luce verde del laser era responsabile di un effetto notevole. All'inizio, tutti gli atomi di ferro erano infatti identici, ma l'interazione con la luce verde può farli passare a stati diversi. "Questo cambia anche la frequenza di oscillazione della molecola di CO sull'atomo di ferro, che ci mostra con quanta sensibilità tali strutture reagiscono a piccoli cambiamenti, " dice Günther Rupprechter. "Questo è anche il motivo per cui le biomolecole nei nostri corpi hanno una struttura così complessa:i componenti proteici ampiamente ramificati hanno un impatto minimo sugli stati dell'atomo di metallo, ma questo impatto minimo può avere implicazioni molto importanti".

Misurazione a temperatura ambiente e pressione atmosferica

Fino ad ora, effetti simili potrebbero essere studiati solo a temperature estremamente basse e in ultraalto vuoto. "In laboratorio, ora abbiamo due metodi in cui tali fenomeni biologicamente rilevanti possono essere misurati a temperatura ambiente e pressione atmosferica, con e senza luce verde, " sottolinea Rupprechter. Ciò apre nuove possibilità per una migliore comprensione del comportamento chimico delle sostanze biologiche; potrebbe anche aprire l'opportunità di adattare nuove molecole al fine di ottimizzarle per scopi chimici specifici della natura.