Unik molekylær KODE:Paramagnetisk kodning af molekyler

I dag støder vi almindeligvis på kontaktløse RFID-chips i en række produkter, men kan lignende teknologi implementeres på molekylært niveau? Svaret er ja. Princippet om molekylær kodning udtænkt af Miloslav Polášek og hans team ved IOCB Prag repræsenterer en ny metode på grænsen til kemi og moderne teknologier. Deres papir om paramagnetisk kodning af molekyler blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Det nye princip om molekylær kodning og prototype af et sådant molekylært system var oprindeligt kun sci-fi-ideer. Efter fem års udvikling lykkedes det for teamet at skabe molekyler med de rigtige egenskaber, hvis struktur er egnet til inkorporering af ioner af sjældne jordarters metalelementer, såkaldte lanthanider. Disse elementer har særlige paramagnetiske egenskaber, der tillader tuning af molekylets respons i et magnetfelt. Svaret kan tjene som en bærer af digital information, og analogt med RFID-chips kan det aflæses i radiofrekvensspektret ved hjælp af kernemagnetisk resonans. Desuden kan disse molekylære konstruktioner forbindes yderligere og kombineres for at skabe et stadig mere komplekst, men stadig læsbart signal med en højere kapacitet til digital information.

"I vores papir for Nature Communications , introducerede vi det enklest mulige system af to forbundne molekyler, hvori vi indsatte forskellige kombinationer af atomer af to udvalgte lanthanider, dysprosium og holmium. Vi viste, at selv med et primitivt system som det, er det muligt at skabe fire unikke signaler og bruge dem til at generere femten forskellige digitale koder," siger Miloslav Polášek, leder af Koordinationskemigruppen ved Instituttet for Organisk Kemi og Biokemi. Det Tjekkiske Videnskabsakademi / IOCB Prag. "Det virker måske ikke af meget i starten, men antallet af koder vokser dramatisk, efterhånden som antallet af elementer øges. Fire elementer giver 65.535 koder, og med kun seks kunne vi for eksempel mærke med unikke koder alle de eurosedler, der i øjeblikket er i omløb. I betragtning af at vi kan bruge tolv af disse elementer, får vi et værktøj med et enormt potentiale."

En molekylær konstruktion, der tillader inkorporering af lanthanidatomer på præcist definerede steder, spiller en nøglerolle. "Vores gruppe arbejder med chelatorer, som er molekyler, der kan danne bindinger med metalioner og omslutte dem i en struktur, der ligner et bur. Vi brugte en aminosyre til at forbinde disse metalholdige molekylære bure, og vi koblede også en anden komponent til dem, der fungerer som en sender i magnetfeltet, og hvis frekvens afhænger af typen af ​​metalionerne og deres rækkefølge," forklarer Jan Kretschmer, medlem af teamet på IOCB Prag og studerende ved Det Naturvidenskabelige Fakultet, Charles University.

Miloslav Polášek og hans team er ikke de eneste, der er interesseret i brugen af ​​molekyler som informationsbærere; andre forskere har primært ledt efter måder, der er inspireret af biologi, ved at bruge for eksempel DNA. Fordelen ved DNA er dets evne til at opbevare enorme mængder information i et enkelt molekyle. På den anden side er en stor ulempe dens komplicerede aflæsning, som kræver indsamling og manipulation af en prøve, hvilket desuden udgør en risiko for kontaminering med et andet DNA fra det omgivende miljø. Den grundlæggende fordel ved paramagnetisk molekylær kodning er, at informationen kan fjernaflæses. Læsningsprocessen kan gentages i det uendelige uden skade på molekylet eller udtømning. Oplysningerne gemmes permanent.

"Da vi indsendte vores papir til tidsskriftet første gang, foreslog en af ​​anmelderne, at vi kom med et specifikt eksempel på brugen af ​​metoden. Vi tog det som en udfordring og udførte to eksperimenter. I det første brugte vi vores sæt med molekyler til at kode et billede med ordet 'CODE' indskrevet i det, som vi derefter læste ved hjælp af magnetisk resonans i samarbejde med teamet af Daniel Jirák fra Institut for Klinisk og Eksperimentel Medicin. I det andet eksperiment brugte vi en lidt anden metode at indkode ordet 'Lanthanide' i den digitale kode," tilføjer Dr. Polášek.

Det nuværende molekylære system bruger fire forskellige lanthanider og er pålideligt i stand til 16-bit-kodning; et optimeret system, der også bruger de resterende lanthanider, kunne dog i princippet tillade 64-bit-kodning eller endnu højere, og det ville give muligheder for applikationer på mange områder. I princippet er det muligt at mærke mikroskopiske objekter, såsom celler, såvel som makroskopiske objekter som medicin eller pengesedler. Miloslav Polášeks team planlægger ansøgninger i de kommende år, ikke kun til kemi og farmaci, men også til telemedicin og andre sektorer med fokus på udvikling af innovative teknologier. + Udforsk yderligere

Går ud over Moder Naturs molekyler for at målrette radioaktive metaller