Syvänmeren kalan näköaisti inspiroi tutkijoita kehittämään supramolekulaarisia valo-ohjattavia laitteita

Miljoonien vuosien aikana kehittynyt näköaisti on erittäin monimutkainen. Luonto on muovannut tätä tarkoitusta varten supramolekulaarisen kemiallisen menetelmän, jotta näköasti toimisi koko näkyvän aallonpituuden alueella. Retinaali-niminen näköpigmentti on vakaa cis-isomeerinä, mutta muuttaa muotoaan fotonin sieppaamisen jälkeen. Muodonmuutoksen seurauksena ympäröivien proteiinien supramolekulaarinen järjestys muuttuu, käynnistäen kemiallisen signaloinnin tapahtumasarjan, joka vahvistuu ja johtaa lopulta näköhavaintoon aivoissa.

– Jotkut syvänmeren kalat ovat kehittäneet antenneina toimivia molekyylejä, jotka kykenevät absorboimaan fotoneja punaisen valon aallonpituusalueella. Meren syvyyksissä punaista valoa esiintyy vain hyvin vähän. Fotonin absorption jälkeen antennimolekyyli siirtää energiansa läheiselle retinaalimolekyylille verkkokalvolla, jolloin sen rakenne muuttuu cis-isomeeristä trans-retinaaliksi. Synteettisissä järjestelmissä vastaava prosessi mahdollistaisi matalaenergisen punaisen valon käytön esimerkiksi energian varastoinnissa tai kontrolloidussa lääkeaineen vapautumisessa, kertoo tutkimuksen vetäjä, Professori Rafal Klajn Weizmannin tiedeinstituutista.

Tämän ilmiön innoittamana tutkijat kehittivät supramolekulaarisen laitteen, joka pystyy tehokkaasti muuntamaan laajalti käytettyjä synteettisiä valokytkinmolekyylejä – atsobentseenejä – stabiilista metastabiiliin muotoon lähes millä tahansa näkyvän valon aallonpituudella. Menetelmään kuuluu yhden atsobentseenimolekyylin ja yhden valoa absorboivan antennimolekyylin vangitseminen metalliorgaaniseen “häkkiin”. Supramolekyylihäkin suljetussa tilassa kemialliset prosessit, jotka eivät tapahtuisi normaaleissa olosuhteissa, ovat mahdollisia.

– Atsobentseenien yleinen ongelma on, että ne eivät voi tehokkaasti valoisomeroitua stabiilista trans-muodosta metastabiiliin cis-muotoon matalaenergisellä punaisella valolla tai infrapunavalolla, vaan prosessiin tarvitaan korkeaenergistä ultraviolettivaloa. Tämä rajoittaa olennaisesti atsobentseenien sovelluksia esimerkiksi valokatalyysin tai fotofarmakologian aloilla. Käyttämällä supramolekulaarista häkkimenetelmää voimme saavuttaa lähes kvantitatiivisen trans-cis-isomeroinnin näkyvän valon millä tahansa värialueella, sanoo akatemiatutkija Nikita Durandin Tampereen yliopiston bio- ja nanomateriaalien supramolekulaarisen kemian tutkimusryhmästä, joka on työskennellyt herkistysmenetelmien parissa viimeisten seitsemän vuoden ajan.

– Tampereen yliopistossa tehdyt aikaerotteiset spektroskooppiset tutkimukset paljastivat, että isomerisaation käynnistävät valokemialliset prosessit tapahtuvat supernopeasti, nanosekunneissa. Toisin sanoen, lähes miljardi kertaa nopeammin kuin yksi silmänräpäys, jatkaa Tero-Petri Ruoko, tutkijatohtori (Marie Curie) ja ultranopean spektroskopian asiantuntija Smart Photonic Materials -tutkimusryhmästä.

– Kun tähän supramolekulaariseen häkkiin kohdistetaan valoa, se muuttaa nopeasti lähes kaikki trans-isomeerit cis-isomeereiksi. Komponenttien ja valon yksinkertainen yhdistelmä, joka vastaa herkistäjämolekyylin absorptioprofiilia, riittää saamaan tämän laitteiston toimimaan, hän lisää.

Valo-ohjattaviin materiaaleihin keskittyvän Smart Photonics Materials -tutkimusryhmän johtaja, professori Arri Priimägi kertoo, että tutkimuksen tuloksena on uudenlainen lähestymistapa valo-ohjattavien molekyylien aktivoimiseksi matalaenergisellä valolla, pakottaen ne pois termodynaamisesta tasapainostaan hyödyntäen kemiaa, joka on mahdollista vain suljetussa tilassa.

Syvänmeren kalan näköaistin kehittymiseen meni miljoonia vuosia. Sen inspiroimana Rafal Klajnin johtama tutkijaryhmä pystyi soveltamaan suljetussa tilassa tapahtuvaa supramolekulaarista kemiaa valo-ohjattaviin synteettisiin materiaaleihin alle viidessä vuodessa.

– Työskentelemme jo seuraavan sukupolven valo-ohjattavien supramolekulaaristen materiaalien parissa. Tavoitteena on soveltaa kehitettyjä menetelmiä pehmeään robotiikkaan ja valoaktivoituihin lääkeaineiden annostelujärjestelmiin, Priimägi toteaa silmissään häivähdys punaista valoa.

Tieteellinen artikkeli “Disequilibrating azobenzenes by visible-light sensitization under confinement” atsobentseenien muuntamisesta näkyvällä valolla käyttäen herkistämistä suljetussa tilassa on julkaistu Science-tiedelehdessä.