Sød succes:Nanokapsel binder saccharose perfekt i vand

Forskere over hele verden forfølger målet om at udvikle syntetiske receptorer, der er i stand til at genkende biologisk vigtige molekyler. Selvom der er gjort mange forsøg på at efterligne den måde, proteinlommer påviser sukker opløst i vand med hydrogenbindingsinteraktioner, få er lykkedes, hovedsageligt på grund af vandmolekylernes forstyrrende natur. Nu, et japansk team af forskere har foreslået en helt ny tilgang.

"Vores unikke genkendelsessystem er baseret på specielle interaktioner - kendt som CH-π interaktioner[term1] - mellem saccharose og de indre vægge af vores nanokapsel, " siger Michito Yoshizawa, der designede undersøgelsen sammen med Masahiro Yamashina ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). "Så vidt vi ved, ingen har før udnyttet interaktionen for at udvikle denne type genkendelsessystem. "

Med en diameter på en nanometer (en milliarddel af en meter), kapslens sfæriske hulrum er lige den rigtige størrelse til at fange det næsten en nanometer lange og sfæriske saccharosemolekyle. Med udgangspunkt i holdets tidligere forskning om molekylær selvsamling, kapslen virker ved at danne et hulrum omkring saccharose, som derefter bliver helt omgivet af flere aromatiske paneler[term2] (se figur 1).

Ved at blande kapslen, sammensat af to metalioner og fire ligander[term3], med saccharose i vand under milde forhold, holdet opnåede en saccharosebundet kapsel med et højt udbytte. Udgivet i Videnskabens fremskridt , en søsterjournal med åben adgang til Videnskab , Produktstrukturen blev bekræftet ved hjælp af protonkernemagnetisk resonans og massespektrometrimetoder. Yoshizawa tilføjer:"Kapslen er nem at producere og håndtere, og dens stabilitet er meget høj. "

I en række eksperimenter for at undersøge, hvordan kapslen ville reagere på forskellige slags sukker, forskerne lavede tre observationer:1) kapslen interagerer ikke med monosaccharider som glucose og fruktose, 2) blandt almindelige disaccharider (f.eks. saccharose, laktose, maltose og trehalose), kun saccharose var indkapslet, og dermed 3) selv i blandinger af to disaccharider (i såkaldte kompetitive bindingsforsøg), kapslen bandt saccharose med en 100% selektivitet.

"Det er normalt meget svært at skelne disse sukkerarter fra hinanden. F.eks. saccharose, lactose og maltose har samme molekylformel, hvilket betyder, at de har det samme antal brint, oxygen- og kulstofatomer - kun deres konfiguration er anderledes, " siger Yoshizawa. "Alligevel, vores nanokapsel var i stand til at genkende subtile forskelle og udelukkende fange saccharose."

Holdet undersøgte også, hvordan kapslen reagerede på almindelige kunstige sukkerarter:aspartam (kendt for at være omkring 200 gange sødere end saccharose) og sucralose (omkring 600 gange sødere end saccharose). Kapslens bindingspræference viste sig at være i størrelsesordenen sucralose, aspartam og saccharose, som nøjagtigt afspejler den rækkefølge, hvori vi opfatter niveauer af sødme.

Denne opdagelse kan påvirke fødevare- og kemisk industri ved at hjælpe med at søge efter endnu sødere forbindelser. Hvis sådanne nye forbindelser let kan findes og syntetiseres, kunstige sødestoffer kunne fremstilles mere omkostningseffektivt end eksisterende metoder.

I fremtiden, Yoshizawa siger, at det kan være muligt at udvikle "designer nanokapsler" i forskellige former og størrelser. Ultimativt, disse kapsler kan bruges til udvikling af nye biosensorteknologier inden for det medicinske og miljømæssige område.