Idag möter vi ofta kontaktlösa RFID-chips i ett antal produkter, men kan liknande teknik implementeras på molekylär nivå? Svaret är ja. Principen för molekylär kodning som skapats av Miloslav Polášek och hans team vid IOCB Prag representerar en ny metod på gränsen för kemi och modern teknik. Deras artikel om paramagnetisk kodning av molekyler publicerades nyligen i tidskriften Nature Communications .

Den nya principen för molekylär kodning och prototypen för ett sådant molekylärt system var från början bara sci-fi-idéer. Efter fem års utveckling lyckades teamet skapa molekyler med rätt egenskaper, vars struktur är lämplig för inkorporering av joner av sällsynta jordartsmetaller, så kallade lantanider. Dessa element har speciella paramagnetiska egenskaper som gör det möjligt att ställa in molekylens svar i ett magnetfält. Svaret kan fungera som en bärare av digital information och analogt med RFID-chips kan det läsas i radiofrekvensspektrumet med hjälp av kärnmagnetisk resonans. Dessutom kan dessa molekylära konstruktioner länkas ytterligare och kombineras för att skapa en allt mer komplex men ändå läsbar signal med en högre kapacitet för digital information.

"I vår tidning för Nature Communications , introducerade vi det enklaste möjliga systemet av två länkade molekyler, i vilka vi infogade olika kombinationer av atomer av två utvalda lantanider, dysprosium och holmium. Vi visade att även med ett primitivt system som det är det möjligt att skapa fyra unika signaler och använda dem för att generera femton olika digitala koder, säger Miloslav Polášek, chef för Coordination Chemistry Group vid Institutet för organisk kemi och biokemi. Tjeckiska vetenskapsakademin / IOCB Prag. "Det kanske inte verkar så mycket till en början, men antalet koder växer dramatiskt när antalet element ökar. Fyra element ger 65 535 koder, och med bara sex skulle vi till exempel kunna märka med unika koder alla eurosedlar som för närvarande är i omlopp. Med tanke på att vi kan använda tolv av dessa element får vi ett verktyg med enorm potential."

En molekylär konstruktion som tillåter inkorporering av lantanidatomer på exakt definierade platser spelar en nyckelroll. "Vår grupp arbetar med kelatorer, som är molekyler som kan bilda bindningar med metalljoner och innesluta dem i en struktur som ser ut som en bur. Vi använde en aminosyra för att länka dessa metallinnehållande molekylära burar, och vi kopplade även en annan komponent till dem som fungerar som en sändare i magnetfältet och vars frekvens beror på typen av metalljoner och deras ordning", förklarar Jan Kretschmer, medlem i teamet vid IOCB Prag och student vid naturvetenskapliga fakulteten, Charles University.

Miloslav Polášek och hans team är inte de enda som är intresserade av användningen av molekyler som informationsbärare; andra forskare har i första hand letat efter vägar inspirerade av biologi, med till exempel DNA. Fördelen med DNA är dess förmåga att hålla enorma mängder information i en enda molekyl. Å andra sidan är en stor nackdel dess komplicerade avläsning, som kräver insamling och manipulation av ett prov, vilket dessutom innebär en risk för kontaminering med ett annat DNA från den omgivande miljön. Den grundläggande fördelen med paramagnetisk molekylär kodning är att informationen kan läsas på distans. Läsprocessen kan upprepas i all oändlighet utan att molekylen skadas eller utarmas. Informationen lagras permanent.

"När vi skickade in vårt papper till tidskriften första gången föreslog en av granskarna att vi skulle ge ett specifikt exempel på hur vi använder metoden. Vi tog det som en utmaning och utförde två experiment. I det första använde vi vår uppsättning av molekyler för att koda en bild med ordet 'CODE' inskrivet i den, som vi sedan läste med hjälp av magnetisk resonans i samarbete med teamet av Daniel Jirák från Institute of Clinical and Experimental Medicine. I det andra experimentet använde vi en något annorlunda metod att koda ordet 'Lanthanide' i den digitala koden", tillägger Dr. Polášek.

Det nuvarande molekylära systemet använder fyra olika lantanider och är tillförlitligt kapabel till 16-bitars kodning; Men ett optimerat system som även använder de återstående lantaniderna skulle i princip kunna tillåta 64-bitars kodning eller till och med högre, och det skulle ge möjligheter för tillämpningar inom många områden. I princip är det möjligt att märka mikroskopiska föremål, som celler, såväl som makroskopiska föremål som droger eller sedlar. Miloslav Polášeks team planerar ansökningar under de kommande åren, inte bara för kemi och farmaci utan även för telemedicin och andra sektorer med fokus på utveckling av innovativ teknologi. + Utforska vidare

Att gå bortom Moder Naturs molekyler för att rikta in sig på radioaktiva metaller