Ett samarbete mellan institutioner, inklusive University of Groningen, har utvecklat en helt ny klass av molekylära fotoswitchar som uppfyller många krav som tidigare ansågs ouppnåeliga. Resultaten har publicerats i Naturkommunikation den 3 juni.

Molekylära fotoswitchar är av särskilt forskningsintresse eftersom de utgör ett icke-invasivt och lokaliserat medel för sådant som att aktivera ett läkemedel var och när det behövs. Sådana omkopplare finns, men är långt ifrån idealiska eftersom de kräver skadligt ultraviolett ljus för deras funktion, vilket är en show-stopper ur en klinisk synvinkel.

Vidare, de kan inte uteslutande bytas från ett tillstånd till ett annat, och fungerar normalt inte under fysiologiska förhållanden i människokroppen. Absorptionsband beskriver vilka våglängder av ljus som behövs för att växla. När absorptionsbanden i tillståndet "på" och "av" överlappar varandra, växling mellan de två tillstånden kräver ljus med samma våglängd, vilket är väldigt ineffektivt. Dock, om absorptionsbanden är väl åtskilda, då kan växling mellan "på" och "av"-tillstånd göras med hög specificitet och effektivitet med ljus av olika våglängder. Molekylära omkopplare som uppfyller sådana krav är därför mycket önskvärda, men tills nu, ingen har kunnat hitta en lämplig design.

Tioindigo och azobensen är två kemiska motiv som används i stor utsträckning i molekylära switchar även om de lider av de tidigare nämnda nackdelarna. Dr Wiktor Szymanski vid University Medical Center Groningen insåg att en sammansmältning av dessa två också skulle kunna fungera som en fotoswitch, och, liknar korsning, skulle mycket troligt ha förbättrade egenskaper jämfört med sina "föräldrar".

"Dock, de första resultaten var mycket nedslående, "säger Mark Hoorens, doktorand student vid UMCG som syntetiserade föreningen iminothioindoxyl (ITI) och försökte byta den. "Vi såg ingen förändring i absorptionsspektrumet när vi bestrålade det, ingenting tycktes hända. Vi tappade därför intresset för denna förening och fortsatte med annan forskning. "

Vid det internationella symposiet om fotofarmakologi 2017 som anordnades i Groningen, gruppen diskuterade sina resultat med forskare från gruppen Molecular Photonics vid universitetet i Amsterdam. Baserat på den diskussionen, forskarna drog slutsatsen att det kan vara värt att upprepa bestrålningsexperimenten med hjälp av faciliteterna vid University of Amsterdam, som har en bättre tidsupplösning. Det nya experimentet gav ett överraskande resultat.

"I början, vi trodde inte våra ögon, " säger Mark Hoorens (UvA). "Vi såg ett fullständigt separerat absorptionsband visas 100 nm till rött av ITIs stabila absorptionsband med en livslängd på cirka 10 till 20 millisekunder, och i första hand, misstänkte till och med att vi tittade på kontaminering i provet. "En av dess" föräldrar "absorberades i UV -regionen och hade bandseparation, medan den andra föräldern absorberades i området med synligt ljus, men hade ingen bra bandseparation.

Den nya omkopplaren hade det bästa av båda. Sådana egenskaper har aldrig tidigare observerats i en fotoswitch. Uppföljningsexperiment bekräftade att ITI verkligen är omkopplaren för synligt ljus forskarna letade efter. Experiment på femto- och pikosekunders tidsskala utförda i laboratorier av Dr. Mariangela Di Donato vid European Laboratory of Non-Linear Spectroscopy möjliggjorde ytterligare mekanistiska studier. Mariangela säger, "Från dessa studier, blev det klart att ITI slår på en ultrasnabb tidsskala på några hundra femtosekunder, liknande hur snabbt det visuella pigmentet i våra ögon ändras när ljus faller på det."

Kvantberäkningar

Den slutliga bekräftelsen gavs genom kvantkemiska beräkningar utförda av Dr Adèle Laurent (University of Nantes) och Dr. Miroslav Medved '(Palacky University i Olomouc). Dessa beräkningar förutspådde absorptionsmaxima för de två fotoisomererna som var mycket lika de som observerades experimentellt, men också ett hinder för att byta tillbaka till den ursprungliga formen som passade utmärkt den observerade livslängden. "I det första fallet, vi blev ganska förbryllade av denna gigantiska 100 nm bandseparation, säger Laurent "men våra beräkningar ger nu en logisk förklaring till detta. Vad som är ännu bättre är att de tillåter oss att förutsäga hur ITI kan modifieras för att uppfylla de specifika kraven från sina användare."

Mark Hoorens har vid det här laget syntetiserat flera sorter som har karakteriserats ytterligare i Amsterdam, Florens, Nantes och Olomouc. Från dessa studier, det har blivit tydligt att ITI är en otroligt mångsidig switch som kan användas under en mängd olika experimentella förhållanden, inklusive, viktigt, biologiska sådana, och med egenskaper som är relativt enkla att justera.