Klastry molekularne to skupiska cząsteczek, które są utrzymywane razem przez dość słabe siły, oddziaływania niekowalencyjne. Niewiele trzeba, by się rozpadły, wystarczy choćby najmniejsze wzbudzenie z zewnątrz. Ale zadziałać w drugą stronę znacznie trudniej. Jak przy najmniejszych nakładach energetycznych sprawić, by klastry powstawały?
Proces zwany tworzeniem wiązań wewnątrzklastrowych (ICBF) od lat jest omawiany przez środowisko naukowe jako mechanizm powstawania złożonych cząsteczek w ośrodku międzygwiazdowym, a także jako sposób ewolucji życia. Jak wytworzyć wiązania peptydowe między aminokwasami tworzącymi klaster? Najczęściej badane są klastry seryny (aminokwas występujący m.in. w kazeinie mleka czy fibroinie jedwabiu), które mają skłonność do tworzenia agregatów zawierających dokładnie osiem cząstek. Pomimo dekad badań nie zaobserwowano tworzenia się wiązań w obrębie tych klastrów.
Czytaj też: To nie magia, a czysta chemia. Stworzono katalizator, który zamienia amoniak w paliwo wodorowe
Naukowcy z Uniwersytetu Bar-Ilan w Izraelu zaobserwowali tworzenie wiązań peptydowych w klastrach zawierających cztery dipeptydy serynowe, które zderzano ze sobą. Nie znaleziono jednak dowodów na to, że ten proces może zachodzić samoistnie w oktamerach serynowych. Chemicy nie rozumieli jednak, jak to się dzieje, że dwie cząsteczki seryny łączą się, by wytworzyć dipeptyd, ale o kolejne etapy polimeryzacji znacznie trudniej. Aż do teraz.
Marzeniem fotochemii jest wykorzystanie światła do napędzania reakcji chemicznych, które w inny sposób prawdopodobnie nie zachodzą. Obecne eksperymenty pokazują piękny przykład takiego procesu. Prof. Yoni Toker z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Bar-Ilan
Światło jako przełącznik chemiczny
Eksperyment przeprowadzono w synchrotronie SOLEIL, który pozwala na wytwarzanie i selekcję konkretnych klastrów, napromieniowanie ich i pomiar powstałych fragmentów. Naukowcy chcieli zobaczyć tworzenie wiązań w dużych klastrach serynowych, ale ich zaskoczenie było jeszcze większe, gdy zobaczyli, dipeptydy serynowe łączą się po ekspozycji na promieniowanie UV.
Czytaj też: Reakcje chemiczne w atmosferze egzoplanety. Czegoś takiego astronomowie jeszcze nie widzieli
Uczeni znaleźli przekonujące dowodny na to, że w eksperymencie doszło do utworzenia wiązania peptydowego. Obliczenia stanu wzbudzonego klastra przeprowadzone przez grupę dr Sergio Diaz Tendero z Uniwersytetu w Madrycie wykazały, że niektóre stany ewoluują naturalnie w kierunku tworzenia takich wiązań.
Nasza praca dostarcza zarówno eksperymentalnych, jak i teoretycznych ram dla tego, jak jedna z najważniejszych reakcji biofizycznych może być wyzwalana abiotycznie wewnątrz klastrów molekularnych poprzez absorpcję światła ultrafioletowego. Prof. Yoni Toker
Przeprowadzone eksperymenty potwierdzają, że możliwe jest tworzenie klastrów cząsteczek przy użyciu światła – wystarczy tylko określić warunki, w jakich to jest możliwe. Warto wspomnieć także o chiralności. Gdy w w laboratorium są syntetyzowane cząsteczki, powstaje taka sama ilość molekuł lewo- i prawoskrętnych. W układach żywych jest inaczej, bo np. wszystkie aminokwasy są lewoskrętne. Na razie nie wiadomo, czy obserwowany proces tworzenia wiązań ICBF ma preferencje chiralne. Szczegóły można przeczytać na łamach czasopisma Angewandte Chemie.