Una collaborazione di istituzioni tra cui l'Università di Groningen ha sviluppato una classe completamente nuova di fotointerruttori molecolari che soddisfano molti requisiti precedentemente considerati irraggiungibili. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura il 3 giugno.

I fotointerruttori molecolari sono di particolare interesse per la ricerca in quanto comprendono un mezzo non invasivo e localizzato per cose come l'attivazione di un farmaco dove e quando è necessario. Tali interruttori esistono, ma sono tutt'altro che ideali in quanto richiedono la luce ultravioletta dannosa per il loro funzionamento, che è uno spettacolo da un punto di vista clinico.

Per di più, non possono essere trasferiti esclusivamente da uno stato all'altro, e normalmente non funzionano nelle condizioni fisiologiche del corpo umano. Le bande di assorbimento descrivono quali lunghezze d'onda della luce sono necessarie per la commutazione. Quando le bande di assorbimento dello stato "on" e "off" si sovrappongono, il passaggio tra i due stati richiede luce della stessa lunghezza d'onda, che è molto inefficace. Però, se le bande di assorbimento sono ben separate, quindi la commutazione tra lo stato "on" e "off" può essere eseguita con elevata specificità ed efficienza con luce di diverse lunghezze d'onda. Gli interruttori molecolari che soddisfano tali requisiti sono quindi altamente desiderabili, ma fino ad ora, nessuno è stato in grado di elaborare un design adatto.

Il tioindigo e l'azobenzene sono due motivi chimici ampiamente utilizzati negli interruttori molecolari pur soffrendo degli inconvenienti precedentemente citati. Il Dr. Wiktor Szymanski dell'University Medical Center Groningen si è reso conto che una fusione di questi due dovrebbe anche essere in grado di funzionare come un fotointerruttore, e, simile all'incrocio, molto probabilmente avrebbe proprietà migliorate rispetto ai suoi "genitori".

"Però, i primi risultati sono stati molto deludenti, "dice Mark Hoorens, il dottorato studente all'UMCG che ha sintetizzato il composto iminotioindossilico (ITI) e ha cercato di cambiarlo. "Non abbiamo visto alcun cambiamento nello spettro di assorbimento quando lo abbiamo irradiato, sembrava non succedere nulla. Abbiamo quindi perso interesse per questo composto e siamo andati avanti con altre ricerche".

Al Simposio Internazionale sulla Fotofarmacologia 2017 organizzato a Groningen, il gruppo ha discusso i risultati con gli scienziati del gruppo di fotonica molecolare presso l'Università di Amsterdam. Sulla base di tale discussione, i ricercatori hanno concluso che potrebbe valere la pena ripetere gli esperimenti di irradiazione utilizzando le strutture dell'Università di Amsterdam, che hanno una migliore risoluzione temporale. Il nuovo esperimento ha prodotto un risultato sorprendente.

"All'inizio, non credevamo ai nostri occhi, " dice Mark Hoorens (UvA). "Abbiamo visto una banda di assorbimento completamente separata apparire a 100 nm rispetto al rosso della banda di assorbimento allo stato stazionario di ITI con una durata di circa 10-20 millisecondi, e in prima istanza, sospettavamo persino che stessimo osservando la contaminazione nel campione." Uno dei suoi "genitori" assorbito nella regione UV e aveva una separazione di banda, mentre l'altro genitore assorbito nella regione della luce visibile, ma non aveva una buona separazione di banda.

Il nuovo interruttore ha avuto il meglio di entrambi. Tali proprietà non sono mai state osservate prima in un fotointerruttore. Gli esperimenti successivi hanno confermato che l'ITI è davvero l'interruttore della luce visibile che gli scienziati stavano cercando. Esperimenti su scala temporale a femto e picosecondi eseguiti nei laboratori della dott.ssa Mariangela Di Donato presso il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare hanno consentito ulteriori studi meccanicistici. Mariangela dice, "Da questi studi, è diventato chiaro che ITI passa su una scala temporale ultraveloce di poche centinaia di femtosecondi, simile a quanto velocemente cambia il pigmento visivo nei nostri occhi quando la luce cade su di esso."

Calcoli quantistici

La conferma finale è stata fornita dai calcoli di chimica quantistica eseguiti dalla dott.ssa Adèle Laurent (Università di Nantes) e dal dott. Miroslav Medved' (Università Palacky di Olomouc). Questi calcoli prevedevano massimi di assorbimento dei due fotoisomeri che erano molto simili a quelli osservati sperimentalmente, ma anche una barriera per tornare alla forma originale che si adattava perfettamente alla vita osservata. "In primo luogo, eravamo piuttosto perplessi da questa gigantesca separazione di banda di 100 nm, "dice Lorenzo, "ma i nostri calcoli ora forniscono una spiegazione logica per questo. Ciò che è ancora meglio è che ci permettono di prevedere come ITI può essere modificato per soddisfare le esigenze specifiche dei suoi utenti".

Mark Hoorens ha ormai sintetizzato diverse varietà che sono state ulteriormente caratterizzate ad Amsterdam, Firenze, Nantes e Olomouc. Da questi studi, è diventato chiaro che ITI è un interruttore incredibilmente versatile che può essere azionato in un'ampia varietà di condizioni sperimentali tra cui, importante, quelli biologici, e con proprietà relativamente facili da regolare.