Mechanizm świecenia związków fluorescencyjnych w rozpuszczalnikach polarnych wyjaśnili naukowcy z Instytutu Chemii Organicznej PAN przy współpracy ze specjalistami z Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Śląskiej, Instytutu Fizyki PAN oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w USA. Wyniki ich prac opublikowało czasopismo „Chemical Science”.
Fluorescencja to zdolność do emitowania światła o określonym kolorze, na skutek wzbudzenia promieniowaniem świetlnym o określonej długości. Cechę tę wykorzystuje się m.in. w mikroskopii fluorescencyjnej. Mikroskop fluorescencyjny ma znacznie większą rozdzielczość niż tradycyjny mikroskop optyczny, a zatem pozwala na obrazowanie znacznie mniejszych struktur. Jego zaletą w porównaniu z mikroskopem elektronowym jest natomiast to, że umożliwia obserwację żywych organizmów i naturalnie zachodzących w nich procesów. Do przeprowadzenia obserwacji za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego niezbędne są cząsteczki posiadające zdolność fluorescencji, nazywane barwnikami lub znacznikami. Dołącza się je do obiektu, który ma być uwidoczniony pod mikroskopem, dzięki czemu możliwe jest precyzyjne badanie m.in. wzajemnych oddziaływań białek w komórkach, funkcjonowania poszczególnych organelli komórkowych, np. mitochondriów, czy różnicowania się tkanek podczas rozwoju embrionalnego.
Idealny barwnik fluorescencyjny powinien posiadać kilka korzystnych, z punktu widzenia jego zastosowania w mikroskopii, cech. Są to m.in. silna fluorescencja w kolorze czerwonym, duża fotostabilność, zdolność do penetracji przez błony komórkowe czy zdolność do świecenia w rozpuszczalnikach o różnym charakterze. Nad stworzeniem takich idealnych znaczników organicznych pracuje zespół prof. Daniela Gryko z Instytutu Chemii Organicznej PAN.
W biologii molekularnej najchętniej używane są znaczniki wykazujące silną czerwoną fluorescencję, ponieważ umożliwia to zbadanie najgłębiej położonych struktur biologicznych. Wiemy, że za przesunięcie barwy fluorescencji w kierunku czerwieni odpowiada obecność w cząsteczce związku aromatycznego grupy nitrowej, stąd przedmiotem naszego zainteresowania są właśnie związki aromatyczne, zawierające grupę nitrową. Ponadto związki te wykazują dużą fotostabilność, co oznacza, że nie rozpadają się pod wpływem światła laserowego o dużej mocy, stosowanego w nowoczesnych technikach mikroskopii fluorescencyjnej. Jednak związki aromatyczne zawierające grupy nitrowe rzadko fluoryzują, ponieważ grupa nitrowa zazwyczaj tłumi fluorescencję. Nam udało się wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje i w jaki sposób można wywołać fluorescencję tych substancji – wyjaśnia prof. Gryko.
Pierwsza praca jego zespołu na ten temat pod tytułem „How To Make Nitroaromatic Compounds Glow: Next-Generation Large X-Shaped, Centrosymmetric Diketopyrrolopyrroles” została opublikowana w czerwcu 2020 roku w czasopiśmie Angewandte Chemie. Najnowsza publikacja w Chemical Science stanowi jej kontynuację.
Udało się nam – jako pierwszym na świecie – otrzymać kwadrupolowe związki aromatyczne zawierające grupę nitrową, które zachowują fluorescencję także w rozpuszczalnikach polarnych, czyli takich, których cząsteczki zawierają dwa bieguny: ujemny i dodatni. Rozpuszczalnikiem polarnym jest np. woda, co jest o tyle istotne, że organizmy żywe składają się z bardzo dużej ilości wody, są nawet takie komórki, w których woda stanowi aż 90% ich masy. Tymczasem fluorescencja wielu związków fluoryzujących jest silna wyłącznie w rozpuszczalnikach niepolarnych i ulega wygaszeniu w roztworach wodnych. Odkryliśmy, że wygaszeniu fluorescencji w rozpuszczalniku polarnym można zapobiec poprzez połączenie grupy nitrowej z rdzeniem cząsteczki, który jest ubogi w elektrony – tłumaczy prof. Gryko.
Jeśli występuje sytuacja odwrotna, tj. rdzeń jest bogaty w elektrony, a grupa nitrowa jest w nie uboga, w cząsteczce zachodzą mechanizmy konkurujące z fluorescencją – dochodzi do pewnych określonych przemian fotochemicznych, a w ich efekcie do wygaszania fluorescencji. Natomiast gdy rdzeń jest ubogi w elektrony – przemiana fotochemiczna zostaje zapoczątkowana, ale w pewnym momencie zostaje przerwana, cząsteczka wraca więc do stanu początkowego i zachowuje silną fluorescencję. Autorem koncepcji „przerwanej fotochemii’ jest prof. Andrzej Sobolewski.
Dokonanie tego odkrycia było możliwe, dzięki zaangażowaniu naukowców z kilku różnych dziedzin nauki. Oprócz badań w laboratorium, polegających na konstruowaniu różnych związków i porównywaniu ich ze sobą, niezbędne było m.in. także wykonanie zaawansowanych obliczeń kwantowo-mechanicznych. Nasza publikacja jest więc multidyscyplinarna i ma aż 16 autorów – zaznacza prof. Daniel Gryko.
Z naukowcami z Instytutu Chemii Organicznej PAN współpracowali specjaliści z Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Śląskiej, Instytutu Fizyki PAN oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w USA.
źródło: FNP