Le molecole indotte dalla luce a ruotare gruppi voluminosi attorno ai legami centrali potrebbero essere sviluppate in sistemi bioattivi fotoattivati, interruttori molecolari e altro ancora.
I ricercatori dell’Università di Hokkaido, guidati dal professore assistente Akira Katsuyama e dal professor Satoshi Ichikawa della Facoltà di scienze farmaceutiche, hanno ampliato gli strumenti della chimica sintetica creando una nuova categoria di molecole che possono essere indotte a subire una rotazione interna in seguito all’interazione con la luce. Si ritiene che processi simili siano importanti in alcuni sistemi biologici naturali.
Le versioni sintetiche potrebbero essere sfruttate per eseguire funzioni di commutazione fotochimica nelle tecnologie di rilevamento e calcolo molecolare o in molecole bioattive, compresi i farmaci. Il loro rapporto è in attesa in Nature Chemistry .
"Realizzare un sistema come il nostro è stata una sfida significativa nel campo della fotochimica", afferma Katsuyama. "Il lavoro fornisce un contributo importante a un campo emergente nella manipolazione molecolare."
Approfondimenti sulle possibilità della luce di alterare in modo significativo le conformazioni molecolari sono venuti dall’esame di alcune proteine naturali. Questi includono le molecole di rodopsina nella retina dell'occhio, che svolgono un ruolo cruciale nel convertire la luce in segnali elettrici che creano il nostro senso della vista nel cervello. Stanno emergendo dettagli su come l'assorbimento dell'energia luminosa possa indurre un riarrangiamento tortuoso di parte della molecola di rodopsina necessaria per svolgere la sua funzione biologica.
"Imitare questo nei sistemi sintetici potrebbe creare interruttori a livello molecolare con una varietà di potenziali applicazioni", spiega Katsuyama.
Un'innovazione chiave del team di Hokkaido è stata quella di ottenere la rotazione fotoindotta (cioè guidata dalla luce) dei gruppi molecolari attorno a una serie di legami chimici che incorporano un atomo di azoto insieme ad altri atomi di carbonio legati.
Le proprietà rotazionali sono state abilitate aggiungendo componenti molecolari che contenevano un atomo del gruppo di elementi “calcogeno” nella tavola periodica, in particolare zolfo o selenio, a una semplice molecola organica:un composto ammidico. Ciò ha portato un nuovo livello di controllo e versatilità ai sistemi di rotazione sintetici fotoindotti.
Alcuni dei gruppi chimici che ruotano attorno ai legami centrali erano relativamente grandi, basati su anelli di sei atomi di carbonio legati. Ciò ha facilitato i cambiamenti molecolari su larga scala che potrebbero essere necessari per l'uso pratico nei sistemi di commutazione molecolare.
Oltre a dimostrare i cambiamenti fotoindotti, il team ha anche eseguito calcoli teorici che hanno fornito informazioni sui probabili meccanismi attraverso i quali si sono verificati i riarrangiamenti. Il team ha inoltre esplorato gli effetti della temperatura sulle trasformazioni. La combinazione di lavoro teorico e sperimentale dovrebbe aiutare a guidare la ricerca futura verso l'esplorazione e il controllo delle modifiche ai sistemi già realizzati.
"La nostra prossima priorità di ricerca si concentra sul potenziale dei nostri metodi per creare nuove molecole bioattive attivate dalla luce. Queste potrebbero essere applicate nella ricerca biologica o eventualmente sviluppate come farmaci", conclude Ichikawa.
L'uso della luce per attivare i cambiamenti conformazionali consente il controllo su dove e quando si verificano i cambiamenti. Ciò potrebbe essere vitale per applicazioni mirate con precisione nei sistemi biologici, comprese eventuali possibilità terapeutiche.
Una versione dello studio è disponibile sulla rivista ChemRxiv server di prestampa.
Ulteriori informazioni: Shotaro Nagami et al, Rotazione concertata di doppio legame singolo fotoindotta di un sistema contenente azoto realizzata mediante sostituzione del calcogeno, ChemRxiv (2022). DOI:10.26434/chemrxiv-2022-4hq5r
Shotaro Nagami et al, Rotazione del doppio legame fotoindotta di un sistema contenente azoto realizzata mediante sostituzione del calcogeno, Chimica della natura (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01461-9, www.nature.com/articles/s41557-024-01461-9
Informazioni sul giornale: Chimica della Natura
Fornito dall'Università di Hokkaido
