Forskere undersøger komplekse molekylære strukturer

Arbejdet med hæmoglobin ser ud til at være ret simpelt:Det transporterer iltmolekyler gennem blodbanen. Men dette fungerer kun så godt, fordi hæmoglobinmolekylet er ekstremt komplekst. Det samme gælder klorofyl, som omdanner sollys til energi for planter.

For at forstå de subtile tricks af sådanne komplekse molekyler, det er værd at undersøge lignende, men enklere strukturer i laboratoriet. Forskere fra TU Wien (Wien) og Trieste, studerede phthalocyaniner, som har en molekylær ringstruktur, der ligner de afgørende dele af hæmoglobin eller klorofyl. Det viser sig, at midten af ​​disse ringstrukturer kan skiftes til forskellige tilstande under grønt lys, hvilket påvirker deres kemiske adfærd.

Dette hjælper ikke kun med at forstå biologiske processer, det åbner også for nye muligheder for at bruge naturens tricks i laboratoriet til andre formål – en strategi kaldet biomimetik, der bliver stadig vigtigere.

Ringe med metalatomer i centrum

"De phthalocyaniner, som vi studerer, er farverige farvestoffer med en karakteristisk ringstruktur, " siger prof. Günther Rupprechter fra Institut for Materialekemi ved Wiens teknologiske universitet. "Afgørende for denne ringstruktur er, at den kan holde et jernatom i sit centrum - ligesom hæm, det ringformede røde farvestof i hæmoglobin. Klorofyl har en lignende ring, der fanger magnesiumatomer. "

I modsætning til de mere komplicerede naturlige molekyler, de specialfremstillede phthalocyaninfarvestoffer kan regelmæssigt placeres side om side på en overflade, som fliser på en badeværelsesvæg. "Ringene blev placeret på et grafenlag i et regulært mønster, så en todimensionel krystal af farveringe blev skabt, " siger Matteo Roiaz, som udførte eksperimenterne sammen med Christoph Rameshan.

"Dette har den fordel, at vi kan undersøge mange molekyler på samme tid, hvilket giver os meget stærkere målesignaler, " forklarer Rameshan.

Kuliltemolekyler tjente som sonder til at undersøge disse ringe:et molekyle kan binde sig til jernatomet, som holdes i midten af ​​ringen. Fra kuliltemolekylets vibration kan man få information om jernatomets tilstand.

For at studere vibrationen, molekylet blev bestrålet med grønt og infrarødt laserlys. Denne måling gav et resultat, der virkede stærkt kontraintuitivt ved første øjekast:"Vi målte ikke blot en enkelt vibrationsfrekvens af kulilte. I stedet, vi fandt fire forskellige frekvenser. Ingen havde forventet dette " siger Günther Rupprechter. "Jernatomerne er alle identiske, så CO-molekylerne, der er knyttet til dem, skulle alle vise nøjagtig den samme adfærd."

Som det viste sig, laserens grønne lys var ansvarlig for en bemærkelsesværdig effekt. I første omgang, alle jernatomerne var i sandhed identiske, men interaktionen med grønt lys kan skifte dem til forskellige tilstande. "Dette ændrer også oscillationsfrekvensen af ​​CO-molekylet på jernatomet, som viser os, hvor følsomt sådanne strukturer reagerer på små ændringer, " siger Günther Rupprechter. "Det er også grunden til, at biomolekylerne i vores kroppe har så kompleks en struktur - de vidt forgrenede proteinkomponenter har en minimal indvirkning på metalatomets tilstand, men denne minimale påvirkning kan have meget vigtige konsekvenser."

Måling ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk

Indtil nu, lignende effekter kunne kun studeres ved ekstremt lave temperaturer og i ultrahøjt vakuum. "I laboratoriet, vi har nu to metoder, hvor sådanne biologisk relevante fænomener kan måles ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, med og uden grønt lys, " understreger Rupprechter. Dette åbner nye muligheder for en bedre forståelse af biologiske stoffers kemiske adfærd; det kan også åbne mulighed for at skræddersy nye molekyler for at optimere dem til naturspecifikke kemiske formål.