Wissenschaftler des Trinity College Dublin haben bei der Bewältigung einer der größten bleibenden Herausforderungen der Chemie einen großen Schritt nach vorne gemacht, indem sie gelernt haben, die Selbstorganisation von Molekülen so zu programmieren, dass das Endergebnis vorhersehbar und wünschenswert ist. Ihre „Malteser-ähnlichen“ Moleküle könnten eines Tages eine Reihe von Anwendungen haben – von hochempfindlichen und spezifischen Sensoren bis hin zu zielgerichteten Medikamentenverabreichungsmitteln der nächsten Generation.
Praktisch alle Komponenten biologischer Systeme zeigen eine außergewöhnliche und präzise Fähigkeit, sich genau auf die Art und Weise selbst zusammenzusetzen, wie sie es benötigen, um die Moleküle zu produzieren, die die Milliarden lebenswichtiger Dinge tun, die es Organismen ermöglichen, darin nicht nur zu überleben, sondern auch zu gedeihen sich ständig verändernde Umgebungen.
Doch trotz enormer wissenschaftlicher Fortschritte tappen die Forscher immer noch weitgehend im Dunkeln darüber, wie diese Prozesse genau gesteuert werden. Die Herausforderung – und die enorme Chance – für Chemiker besteht darin, diese Prozesse zu entschlüsseln und dann die Kontrolle über sie auszuüben, um Moleküle reproduzierbar auf bestimmte Dinge zu programmieren.
Die Arbeit wurde von einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Thorfinnur Gunnlaugsson vom Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI) in Zusammenarbeit mit Prof. John Boland vom CRANN durchgeführt. Beide Gruppen sind Teil der School of Chemistry des Trinity College Dublin und des AMBER Research Ireland Centre; während Prof. Robert Pal, Fachbereich Chemie der Durham University, ebenfalls ein wichtiger Mitarbeiter war.
Der Erstautor Aramballi Savyasachi, ein ehemaliger Doktorand an der Trinity School of Chemistry mit Sitz in TBSI, sagte: „Wir konnten Aminosäure-basierte ‚Liganden‘ herstellen, deren Selbstorganisationsstrukturen variieren – vorhersehbar und reproduzierbar.“ – Abhängig davon, welche Aminosäure wir verwenden, werden Aminosäuren als Bausteine des Lebens bezeichnet, da sie aus verschiedenen Aminosäuresequenzen eine große Vielfalt an verschiedenen Proteinen bilden verschiedener Funktionen.
„Vor diesem Hintergrund ist es vielleicht nicht überraschend, dass unterschiedliche Aminosäuren unterschiedliche Selbstorganisationsergebnisse hervorrufen – manchmal ergibt sich ein weiches, gelartiges Material und manchmal ergeben sich viel härtere ‚Malteser-Moleküle‘. Was hat uns überrascht – und Es war eine große Freude für uns, zu entdecken, dass wir den Prozess und das Ergebnis weitgehend durch die Auswahl spezifischer Aminosäuren steuern können. Und wenn wir andere Moleküle wie Lanthanoidionen hinzufügen, können wir Lumineszenzanwendungen erschließen.
Prof. Gunnlaugsson vom TBSI-Team sagte: „Es gibt so viele potenzielle Anwendungen dieser Arbeit und wie immer gibt es noch viel mehr zu lernen. Aber die Moleküle, die wir bereits entwickelt haben, könnten eines Tages in der Photonik und in optischen Systemen nützlich sein, wo.“ hochspezifische Sensoren werden geschätzt, oder in sehr zielgerichteten Anwendungen zur Arzneimittelverabreichung.
„Zum Beispiel treten Schlüsselenzyme in größerer Zahl auf, wenn der Körper eine Infektion bekämpft, und beginnen, Moleküle abzubauen. Die Produkte dieses molekularen Abbaus könnten die Aktivität so anregen, dass ein Medikament dort freigesetzt wird, wo und wann es benötigt wird würde einige der Nebenwirkungen minimieren, die mit vielen, weniger zielgerichteten Therapeutika einhergehen.“
Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass Sie möglicherweise die Aktivität im Körper anhand der Lumineszenz in Echtzeit überwachen können.
Dr. Oxana Kotova, Trinity, vom TBSI-Team, fügte hinzu: „Lumineszenz ist aus biomedizinischer Sicht ein sehr nützliches Produkt einiger molekularer Wechselwirkungen. In Zusammenarbeit mit Professor Robert Pal von der University of Durham haben wir herausgefunden, dass unsere „Malteser-ähnlichen“ Anordnungen Mit Lanthanoidionen funktionalisierte Zellen emittieren zirkular polarisiertes Licht. Diese Eigenschaft kann die Visualisierung ortsspezifischer Wechselwirkungen in biologischen Medien ermöglichen oder eine Anwendung in optoelektronischen Geräten finden.
„Ich möchte sagen, dass diese Arbeit nur dank der multidisziplinären Zusammenarbeit zwischen Chemikern, Biochemikern, Materialwissenschaftlern und Physikern unter der Leitung der Profs. Thorfinnur Gunnlaugsson, John J. Boland, Robert Pal, Matthias E. Möbius und D. Clive möglich war.“ Williams.
Professor Ronan Daly vom Department of Engineering der University of Cambridge, der nicht an dieser Studie beteiligt war, aber ein Experte auf diesem Gebiet ist, kommentierte die Bedeutung der Arbeit
„Ingenieure und Wissenschaftler verschieben seit langem die Grenzen der Fertigung, indem sie Materialien um uns herum nehmen und sie zu immer kleineren und präziseren Strukturen bearbeiten oder formen. Wir können diesen ‚Top-Down‘-Ansatz so gut umsetzen, dass er in vielen anderen Bereichen eingesetzt wird.“ So ziemlich jedes hergestellte Bauteil, das Sie sehen, bis hin zu den mikro- und nanoskaligen Strukturen in Computerchips, inspiriert Wissenschaftler und Ingenieure jedoch immer wieder mit der unglaublichen Fähigkeit, komplexe molekulare Strukturen zu schaffen, die irgendwie perfekt zusammenpassen Im molekularen Maßstab klicken diese dann im Nanomaßstab zusammen und können sich völlig selbstständig zu Dingen entwickeln, die wir jeden Tag sehen und für selbstverständlich halten.
„Diese Selbstorganisation ist ein unglaublich spannendes Forschungsthema, bei dem wir Materialien „von unten nach oben“ entwerfen, bei dem Moleküle auf natürliche Weise zusammenkommen, um das zu bilden, was wir brauchen. Es ist natürlich wirklich kompliziert und sehr schwer zu entwerfen und zu kontrollieren, wir sind es einfach nicht.“ noch so gut wie die Natur!
„Dies ist eine sehr spannende, äußerst anspruchsvolle Arbeit, die neue Einblicke in die Kontrolle der Selbstorganisation auf molekularer Ebene liefert. Dies trägt dazu bei, dass das gesamte Gebiet vorankommt, indem es unser Verständnis aufbaut, und bietet eine sehr wiederholbare und robuste Möglichkeit, diese neuen Erkenntnisse zu gewinnen.“ Nanokügelchen, die eines Tages beispielsweise in der Zukunft der Medikamentenverabreichung eingesetzt werden könnten, indem sie durch den Körper fließen und ein Zielmedikament oder eine Gentherapie an den richtigen Ort abgeben.“
