Wiele związków niezbędnych do życia na Ziemi może występować w dwóch formach. To tzw. enancjomery, które choć mają identyczne wzory sumaryczne, cechują się inną aktywnością optyczną, a co za tym idzie – zupełnie innym działaniem biologicznym.
Obecnie coraz więcej preparatów leczniczych zawiera tylko wybrane enancjomery stosowanych wcześniej substancji, dzięki czemu możliwe jest nie tylko zwiększenie ich skuteczności terapeutycznej, ale też ograniczenie działań niepożądanych. Polscy naukowcy dokonali ważnego odkrycia w dziedzinie badań nad enancjomerami, a wyniki ich badań opublikowało prestiżowe czasopismo Angewandte Chemie International Edition.
Grupa naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w ścisłej współpracy z naukowcami z Instytutu Chemii Organicznej PAN w Warszawie oraz z Instytutu Biologii Roślin i Biotechnologii Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie wykazała, skąd pochodzi aktywność optyczna makrocząsteczek biologicznych. „Pokazaliśmy, że cząsteczki, które nie są aktywne optycznie, mogą w pewnych warunkach tworzyć układy, które są aktywne optycznie, a taki proces zachodzi w naturze” – mówi prof. dr hab. Małgorzata Barańska z Zakładu Fizyki Chemicznej na Wydziale Chemii UJ i dodaje: „Impulsem do przeprowadzenia badań była obserwacja silnej aktywności optycznej kryształów karotenowych naturalnie występujących w marchwi, które są zbudowane w 95 procentach z nieaktywnych optycznie cząsteczek beta-karotenu i zaledwie w 5 procentach z aktywnego optycznie alfa-karotenu. Zjawisko to zaobserwowaliśmy początkowo w systemie modelowym, czyli w kulturach tkankowych marchwi, uzyskanych w laboratorium Instytutu Biologii Roślin i Biotechnologii UR, ale dalsze badania wykazały, że kryształy akumulowane naturalnie w komórkach korzenia marchwi również mają tę właściwość”.
Zagadki chiralności
Naukowcy wysnuli więc hipotezę, że właściwości optyczne kryształów karotenowych są efektem wzbudzenia tzw. chiralności. Chiralność to cecha cząsteczek, odpowiadająca właśnie za ich aktywność optyczną, polegająca na takiej asymetryczności w budowie, która sprawia, że odbicie lustrzane cząsteczki nie jest identyczne z cząsteczką wyjściową. Mówiąc inaczej, te dwie cząsteczki: wyjściowa i jej lustrzane odbicie nie są na siebie nakładalne i są to właśnie enancjomery. Z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku dłoni: prawa i lewa dłoń są swoimi lustrzanymi odbiciami, jednak nie można nałożyć jednej na drugą. W przyrodzie występuje cały szereg związków chiralnych i taką budowę ma większość składników budujących żywe organizmy: aminokwasy, cukry, kwasy nukleinowe, czy białka. Dlatego, tak istotne jest poznanie zagadek chiralności.
Posłuszni szeregowi
„W naszych badaniach dotyczących indukcji chiralności kryształów karotenowych wykorzystaliśmy, oprócz naturalnych kryształów wyizolowanych w marchwi, również układy modelowe, stworzone w laboratoriach Instytutu Chemii Organicznej PAN, zawierające izotop wodoru czyli deuter. Dzięki takiej modyfikacji, mogliśmy bardzo precyzyjnie śledzić losy i zachowania poszczególnych cząsteczek” – wyjaśnia prof. Małgorzata Barańska. Naukowcom udało się udowodnić, że indukcja chiralności w układach karotenowych zachodzi zgodnie z mechanizmem tzw. „sierżanta i żołnierzy”. Chiralny (optycznie czynny) związek, którego jest stosunkowo niewiele (czyli alfa-karoten) pełni rolę sierżanta kontrolującego achiralne (nieaktywne optycznie) i znacznie liczniejsze cząsteczki żołnierzy (czyli beta-karotenu). „Wykazaliśmy, że pomimo iż układ taki składa się w większości z achiralnego beta-karotenu to wykazuje on silną aktywność optyczną, warunkowaną obecnością niewielkiej ilości chiralnego alfa-karotenu. Te zaskakujące wyniki mogliśmy uzyskać, dzięki wykorzystaniu nowoczesnej aparatury w laboratorium spektroskopii ramanowskiej Jagiellońskiego Centrum Rozwoju Leków, rejestrującej ramanowską aktywność optyczną (ROA, ang. Raman Optical Activity) badanych układów karotenowych. Ponieważ okazało się, że ROA badanych kryształów karotenowych może być wzmacniania za pomocą rezonansu, byliśmy w stanie analizować agregaty karotenowe występujące w naturze w bardzo niskich, mikromolowych stężeniach” – podkreśla prof. Barańska.
Odkrycie zjawiska indukcji chiralności było możliwe dzięki współpracy naukowców z trzech grup badawczych, wśród których są zespoły finansowane przez FNP ze środków pochodzących z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (POIR), m.in zespół kierowany przez prof. Jacka Młynarskiego z Instytutu Chemii Organicznej PAN, realizujący grant w programie TEAM.
Na zdjęciu: prof. Jacek Młynarski / fot. Krzysztof Sordyl