Forskare runt om i världen strävar efter målet att utveckla syntetiska receptorer som kan känna igen biologiskt viktiga molekyler. Även om många försök har gjorts för att efterlikna hur proteinfickor upptäcker socker löst i vatten med vätebindningsinteraktioner, få har lyckats, främst på grund av den störande naturen hos vattenmolekyler. Nu, ett japanskt team av forskare har föreslagit ett helt nytt tillvägagångssätt.

"Vårt unika igenkänningssystem är baserat på speciella interaktioner - kända som CH-π-interaktioner[term1] - mellan sackaros och de inre väggarna i vår nanokapsel, " säger Michito Yoshizawa, som designade studien tillsammans med Masahiro Yamashina vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). "Så vitt vi vet, ingen har utnyttjat interaktionen för att utveckla den här typen av igenkänningssystem tidigare."

Med en diameter på en nanometer (en miljarddels meter), kapselns sfäriska hålighet har precis rätt storlek för att fånga upp den nästan en nanometer långa och sfäriska sackarosmolekylen. Bygger på teamets tidigare forskning om molekylär självmontering, kapseln fungerar genom att bilda en hålighet runt sackarosen, som sedan blir helt omgiven av flera aromatiska paneler[term2] (se figur 1).

Genom att blanda kapseln, består av två metalljoner och fyra ligander[term3], med sackaros i vatten under milda förhållanden, teamet fick en sackarosbunden kapsel med högt utbyte. Publicerad i Vetenskapens framsteg , en systerdagbok med öppen tillgång till Vetenskap , Produktstrukturen bekräftades med protonkärnmagnetisk resonans och masspektrometrimetoder. Yoshizawa tillägger:"Kapseln är lätt att tillverka och hantera, och dess stabilitet är mycket hög."

I en serie experiment för att utforska hur kapseln skulle svara på olika sorters socker, forskarna gjorde tre observationer:1) kapseln interagerar inte med monosackarider som glukos och fruktos, 2) bland vanliga disackarider (t.ex. sackaros, laktos, maltos och trehalos), endast sackaros var inkapslat, och därmed 3) även i blandningar av två disackarider (i så kallade kompetitiva bindningsexperiment), kapselbunden sackaros med en 100% selektivitet.

"Det är vanligtvis väldigt svårt att skilja dessa sockerarter åt. Till exempel, sackaros, laktos och maltos har samma molekylformel, vilket betyder att de har samma antal väte, syre- och kolatomer – bara deras konfiguration är annorlunda, " säger Yoshizawa. "Ändå, vår nanokapsel kunde känna igen subtila skillnader och uteslutande fånga sackaros."

Teamet undersökte också hur kapseln svarade på vanliga artificiella sockerarter:aspartam (känd för att vara cirka 200 gånger sötare än sackaros) och sukralos (cirka 600 gånger sötare än sackaros). Kapselns bindningspreferens visade sig vara i storleksordningen sukralos, aspartam och sackaros, vilket exakt speglar den ordning i vilken vi uppfattar nivåerna av sötma.

Denna upptäckt kan påverka livsmedels- och kemisk industri genom att hjälpa till med sökandet efter ännu sötare föreningar. Om sådana nya föreningar lätt kan hittas och syntetiseras, konstgjorda sötningsmedel skulle kunna tillverkas mer kostnadseffektivt än befintliga metoder.

I framtiden, Yoshizawa säger att det kan vara möjligt att utveckla "designer nanokapslar" av olika former och storlekar. I sista hand, dessa kapslar skulle kunna användas för utveckling av nya biosensorteknologier inom det medicinska och miljömässiga området.