Katenany są modelowymi przykładami cząsteczek powiązanych mechanicznie, zbudowanych z pierścieni połączonych jak ogniwa łańcucha. Takie związki służą m.in. do konstrukcji maszyn molekularnych, tj. molekuł, które działają podobnie jak silniki i przełączniki znane ze świata makroskopowego, ale wykonują pracę na poziomie atomowym.

 

Ze względu na unikatową orientację przestrzenną komponentów katenany mogą służyć jako platforma do budowy selektywnych receptorów wiążących inne cząsteczki chemiczne. Mechanicznie połączone pierścienie katenanu tworzą bowiem trójwymiarową lukę, która przypomina miejsca wiążące białek, i podobnie jak białka mogą silnie i selektywnie oddziaływać ze swoimi substratami. Dzięki tym właściwościom katenany znajdują zastosowanie jako nowe sensory molekularne i katalizatory.

 

Zespół z UW

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego skupili się na skonstruowaniu katenanów do selektywnego wiązania anionu siarczanowego, tj. jonu, który ma ogromne znacznie w wielu procesach technologicznych i biologicznych. Ze względu na jego właściwości fizyko-chemiczne selektywne wiązanie siarczanu w wodzie jest wyjątkowo trudne, a syntetyczne receptory opracowane do tej pory nie mogą się równać z wyspecjalizowanymi białkami obecnymi w organizmach żywych.

 

– Zafascynowała nas tetraedryczna geometria siarczanu i jego zdolność do wymuszania samoorganizacji molekularnej, czyli spontanicznego porządkowania cząsteczek wokół tego anionu. Okazało się, że otrzymane w naszym laboratorium względnie proste cząsteczki organiczne ustawiają się prostopadle do siebie dzięki oddziaływaniu z tym anionem – mówi prof. Michał Chmielewski z Wydziału Chemii UW i dodaje: – W naszej pracy pokazaliśmy, że makrocyklizacja tak ustawionych cząsteczek pozwala otrzymać katenan.

 

W zaproponowanej przez badaczy syntezie anion siarczanowy posłużył jako chemiczny szablon, dzięki czemu w otrzymanym produkcie zakodowana została chemiczna informacja o położeniu donorów oddziaływań (wiązań wodorowych), które jest odpowiednie do wiązania siarczanu. Dzięki temu katenan okazał się doskonałym receptorem dla siarczanu, zdolnym do wychwytywania go nawet w rozcieńczonych roztworach o dużej zawartości wody. Na dodatek wykorzystanie w syntezie katenanu prekursorów fluorescencyjnych sprawiło, że wiązanie siarczanu może być sygnalizowane przez emisję światła.

Badacze opublikowali wyniki swoich badań na łamach „Chemical Science”.

– Unikatowe właściwości siarczanu wykorzystaliśmy też do konstrukcji przełącznika molekularnego. Pokazaliśmy, że za pomocą zmian pH możemy kontrolować względne położenie pierścieni w naszym katenanie. Oznacza to, że w odpowiedzi na zewnętrzny bodziec w postaci zmiany pH katenan może przyjąć strukturę zwartą, w której oba pierścienie wiążą ten sam anion, lub rozciągniętą, w której każdy pierścień wiąże inny anion, a ich miejsca wiążące starają się oddalić od siebie najdalej, jak to możliwe – tłumaczy dr Krzysztof Bąk, pierwszy autor publikacji. – Jest to pierwszy przykład zastosowania anionu w takiej roli – podkreśla naukowiec.

 

Obecnie w zespole prof. Michała Chmielewskiego trwają pracuje nad wykorzystaniem katenanów do transportu anionów przez błony biologiczne. Dzięki doskonałej zdolności do wiązania anionów katenany mogą w przyszłości zastąpić uszkodzone białka transportujące aniony np. u osób chorych na mukowiscydozę.