Hemoglobinets uppgift verkar vara ganska enkel:Det transporterar syremolekyler genom blodomloppet. Men detta fungerar bara så bra eftersom hemoglobinmolekylen är extremt komplex. Detsamma gäller klorofyll, som omvandlar solljus till energi för växter.

För att förstå de subtila knepen med sådana komplexa molekyler, det är värt att undersöka liknande men enklare strukturer i labbet. Forskare från TU Wien (Wien) och Trieste, studerade ftalocyaniner, som har en molekylär ringstruktur som nära liknar de avgörande delarna av hemoglobin eller klorofyll. Det visar sig att mitten av dessa ringstrukturer kan växlas till olika tillstånd under grönt ljus, vilket påverkar deras kemiska beteende.

Detta hjälper inte bara till att förstå biologiska processer, det öppnar också för nya möjligheter att använda naturens knep i laboratoriet för andra ändamål – en strategi som kallas biomimetik som blir allt viktigare.

Ringar med metallatomer i centrum

"Ftalocyaninerna som vi studerar är färgglada färgämnen med en karakteristisk ringstruktur, " säger Prof. Günther Rupprechter från Institutet för materialkemi vid Wiens tekniska universitet. "Avgörande för denna ringstruktur är att den kan hålla en järnatom i sitt centrum – precis som hem, det ringformade röda färgämnet i hemoglobin. Klorofyll har en liknande ring som fångar magnesiumatomer. "

I motsats till de mer komplicerade naturliga molekylerna, de skräddarsydda ftalocyaninfärgämnena kan regelbundet placeras sida vid sida på en yta, som kakel på en badrumsvägg. "Ringarna placerades på ett grafenlager i ett vanligt mönster, så att en tvådimensionell kristall av färgringar skapades, " säger Matteo Roiaz, som genomförde experimenten tillsammans med Christoph Rameshan.

"Detta har fördelen att vi kan undersöka många molekyler samtidigt, vilket ger oss mycket starkare mätsignaler, " förklarar Rameshan.

Kolmonoxidmolekyler fungerade som sonder för att undersöka dessa ringar:en molekyl kan fästa till järnatomen, som hålls i mitten av ringen. Från kolmonoxidmolekylens vibration kan man få information om järnatomens tillstånd.

För att studera vibrationen, molekylen bestrålades med grönt och infrarött laserljus. Denna mätning gav ett resultat som verkade starkt kontraintuitivt vid första anblicken:"Vi mätte inte bara en enda vibrationsfrekvens av kolmonoxid. Istället, vi hittade fyra olika frekvenser. Ingen hade förväntat sig detta, " säger Günther Rupprechter. "Järnatomerna är alla identiska, så CO-molekylerna som är fästa vid dem borde alla visa exakt samma beteende."

Som det blev, laserns gröna ljus var ansvarig för en anmärkningsvärd effekt. I början, alla järnatomer var verkligen identiska, men interaktionen med grönt ljus kan växla dem till olika tillstånd. "Detta ändrar också oscillationsfrekvensen för CO-molekylen på järnatomen, som visar oss hur känsligt sådana strukturer reagerar på små förändringar, " säger Günther Rupprechter. "Det är också anledningen till att biomolekylerna i våra kroppar har en så komplex struktur - de vitt grenade proteinkomponenterna har en minimal inverkan på metallatomens tillstånd, men denna minimala påverkan kan ha mycket viktiga konsekvenser."

Mätning vid rumstemperatur och atmosfärstryck

Tills nu, liknande effekter kunde endast studeras vid extremt låga temperaturer och i ultrahögt vakuum. "I laboratoriet, vi har nu två metoder där sådana biologiskt relevanta fenomen kan mätas vid rumstemperatur och atmosfärstryck, med och utan grönt ljus, "understryker Rupprechter. Detta öppnar upp nya möjligheter för en bättre förståelse av biologiska ämnens kemiska beteende. Det kan också öppna möjligheten att skräddarsy nya molekyler för att optimera dem för naturspecifika kemiska ändamål.