Jak zachować fluorescencję w środowisku polarnym?

Dodano: :: Kategorie: Aktualności, Sukcesy naszych laureatów
-A A+

Związki wykazujące fluorescencję cieszą się coraz większym zainteresowaniem i są coraz szerzej wykorzystywane w różnych dziedzinach życia, nauki i technologii. Stosuje się je choćby w tzw. OLED-ach, czyli diodach na bazie związków organicznych, emitujących światło niebieskie, zielone i czerwone, z których budowane są nowoczesne wyświetlacze tabletów, laptopów czy telewizorów. Związki cechujące się fluorescencją znalazły też zastosowanie we współczesnej biologii molekularnej i diagnostyce medycznej, gdzie wykorzystuje się je do obserwacji – przy pomocy mikroskopów fluorescencyjnych – różnych organelli komórkowych, białek, a także do śledzenia procesów zachodzących w komórkach. Do tych celów idealna jest silna fluorescencja w kolorze czerwonym, która nie ulega wygaszeniu po umieszczeniu substancji fluoryzującej w rozpuszczalniku polarnym, czyli np. w wodzie. Badania nad związkami wykazującymi taką fluorescencję prowadzi zespół prof. dr. hab. Daniela T. Gryko z Instytutu Chemii Organicznej PAN. Najnowsze wyniki tych prac zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie chemicznym Chemical Science.

Syntezy nowych znaczników i wyjaśnienia mechanizmu świecenia tych związków w rozpuszczalnikach polarnych dokonano w toku prac naukowych, prowadzonych w ramach grantu TEAM (konkurs 3/2016), finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

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.

GA_Gif_2s

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, w ramach realizacji grantu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Najlepsze światło czerwone

„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 jakiś sposób można wywołać fluorescencję tych substancji” – wyjaśnia prof. Daniel 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.

Świecą w rozpuszczalnikach polarnych

„Udało się nam – po raz pierwszy 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 to 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” – mówi prof. Daniel 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 (laureat nagrody FNP w roku 2007), współautor pracy.

„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” – podkreśla 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.

Prof. Daniel T. Gryko jest chemikiem, dyrektorem Instytutu Chemii Organicznej PAN w Warszawie. Do jego najważniejszych zainteresowań naukowych należy chemia barwników funkcjonalnych, a w szczególności koroli, czyli barwników makrocyklicznych o licznych zastosowaniach. Jest laureatem subsydium profesorskiego MISTRZ Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (2013). Dwukrotnie zdobył też grant w programie TEAM FNP. Prof. Daniel Gryko jest laureatem Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w obszarze nauk chemicznych i o materiałach za rok 2017.

Źródło: „Potent strategy towards strongly emissive nitroaromatics through a weakly electron-deficient core” Chem. Sci., 2021.

Program TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.

poir_ncbr_rp_ueefrr

Cofnij