Molekyler som induceras av ljus för att rotera skrymmande grupper runt centrala bindningar kan utvecklas till fotoaktiverade bioaktiva system, molekylära switchar och mer.
Forskare vid Hokkaido University, ledda av biträdande professor Akira Katsuyama och professor Satoshi Ichikawa vid fakulteten för farmaceutiska vetenskaper, har utökat verktygslådan för syntetisk kemi genom att göra en ny kategori av molekyler som kan induceras att genomgå en intern rotation vid interaktion med ljus. Liknande processer tros vara viktiga i vissa naturliga biologiska system.
Syntetiska versioner kan utnyttjas för att utföra fotokemiska omkopplingsfunktioner i molekylär beräknings- och avkänningsteknik eller i bioaktiva molekyler, inklusive läkemedel. Deras rapport väntar i Nature Chemistry .
"Att uppnå ett system som vårt har varit en betydande utmaning inom fotokemin", säger Katsuyama. "Arbetet ger ett viktigt bidrag till ett framväxande område inom molekylär manipulation."
Insikter om ljusets möjligheter att väsentligt förändra molekylära konformationer har kommit från att undersöka vissa naturliga proteiner. Dessa inkluderar rhodopsinmolekylerna i ögats näthinna, som spelar en avgörande roll för att omvandla ljus till de elektriska signaler som skapar vår synkänsla i hjärnan. Det dyker upp detaljer om hur absorptionen av ljusenergi kan inducera en vridande omarrangering av en del av rodopsinmolekylen som krävs för att den ska kunna utföra sin biologiska funktion.
"Att efterlikna detta i syntetiska system kan skapa switchar på molekylär nivå med en mängd olika potentiella tillämpningar", förklarar Katsuyama.
En nyckelinnovation från Hokkaido-teamet var att uppnå fotoinducerad (dvs ljusdriven) rotation av molekylära grupper runt en serie kemiska bindningar som innehåller en kväveatom tillsammans med andra bundna kolatomer.
Rotationsegenskaperna möjliggjordes genom att lägga till molekylära komponenter som innehöll en atom från "kalkogen"-gruppen av element i det periodiska systemet, särskilt svavel eller selen, till en enkel organisk molekyl:en amidförening. Detta gav en ny nivå av kontroll och mångsidighet för syntetiska fotoinducerade rotationssystem.
Några av de kemiska grupperna som roterar runt de centrala bindningarna var relativt stora, baserade på ringar med sex bundna kolatomer. Detta underlättade de storskaliga molekylära förändringarna som kan krävas för praktisk användning i molekylära omkopplingssystem.
Förutom att demonstrera de fotoinducerade förändringarna, utförde teamet också teoretiska beräkningar som gav insikter i de troliga mekanismerna genom vilka omarrangeringarna fortsatte. Teamet undersökte också effekterna av temperatur på omvandlingarna. Kombinationen av teoretiskt och experimentellt arbete bör hjälpa till att styra framtida forskning mot att utforska och kontrollera modifieringar av de redan uppnådda systemen.
"Vår nästa forskningsprioritet är fokuserad på potentialen hos våra metoder för att göra nya bioaktiva molekyler aktiverade av ljus. Dessa kan tillämpas i biologisk forskning eller möjligen utvecklas som läkemedel", avslutar Ichikawa.
Att använda ljus för att aktivera konformationsförändringarna tillåter kontroll över var och när förändringarna sker. Detta kan vara avgörande för exakt riktade tillämpningar i biologiska system, inklusive eventuella terapeutiska möjligheter.
En version av studien finns tillgänglig i tidskriften ChemRxiv förtrycksserver.
Mer information: Shotaro Nagami et al, Photoinduced Concerted Dual Single-bond Rotation of a Nitrogen-Containing System Realized by Chalcogen Substitution, ChemRxiv (2022). DOI:10.26434/chemrxiv-2022-4hq5r
Shotaro Nagami et al, Fotoinducerad dubbelbindningsrotation av ett kvävehaltigt system realiserat genom kalkogensubstitution, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01461-9 , www.nature.com/articles/s41557-024-01461-9
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Hokkaido University
