O badaniach naszych chemików na łamach Nature Synthesis
Molekularne węzły i sploty. Choć obiekty te są przede wszystkim przedmiotem zainteresowania matematycznej teorii węzłów, fascynują również chemików, którzy zaprojektowali i zsyntetyzowali wiele molekuł o nietrywialnej topologii.
Praca naukowców z Wydziału Chemii UWr ukazała się w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition i została szybko dostrzeżona przez międzynarodowe środowisko naukowe. Wyrazem zainteresowania jest highlight – omówienie – oryginalnego artykułu na łamach czasopisma Nature Synthesis.
Ale zacznijmy od początku.
Wiązanie sznurowadeł to jedna z codziennych czynności, które musimy wykonać, aby opuścić mieszkanie i udać się do pracy lub na uczelnię. Ci z nas, których zawód wymaga bardziej formalnego ubioru, przed wyjściem z domu zawiążą jeszcze krawat lub stylową apaszkę. Zawiązanie supełka na sznurku owiniętym wokół paczki, którą musimy ze sobą zabrać umożliwi nam jej bezpieczny transport. Choć wszystkie te czynności wydają się na pozór błahe i wykonujemy je mechanicznie, to tak naprawdę wymagają przeprowadzenia nietrywialnej operacji, w efekcie której powstaje obiekt, który matematycy nazwą węzłem lub splotem.
Węzły i sploty to jednak obiekty wykorzystywane znacznie szerzej – używamy ich do mocowania lin żeglarskich ale także przy tworzeniu złożonych stalowych konstrukcji. Amatorom wspinaczki górskiej zawiązanie właściwego węzła pozwala zabezpieczyć się przed upadkiem z wysokości, a chirurdzy mogą z ich pomocą łączyć fragmenty rozerwanej tkanki. Jubilerzy z kolei wykorzystają estetyczne sploty do wykreowania unikalnej biżuterii, zaś artyści przy ich pomocy zaplotą dekoracyjne motywy w makramie.
Na przestrzeni wieków węzłom i splotom przypisywano niekiedy znaczenie mistyczne i symboliczne. Amulety o takich kształtach znajdowano między innymi w starożytnym Egipcie. Tyet, węzeł Izydy, ocenia się jako znalezisko pochodzące z okresu 1550–1275 przed Chrystusem. W hinduizmie węzeł nazywany Śrīvatsą uznaje się za symbol wzajemnego przenikania się mądrości i współczucia, jedności i harmonii pozornie przeciwnych sił. Z kolei celtyckie Drzewo Życia symbolizowało połączenie pomiędzy światem żywych i światem duchów. Bodaj najsłynniejszy ze wszystkich węzłów, węzeł gordyjski, tak bardzo zakorzenił się w naszej świadomości, że do dzisiaj używamy jego nazwy dla określenia problemu o niemożliwym do rozwiązania konwencjonalnymi środkami poziomie złożoności. W reszcie, dwoje ludzi zawiązuje węzeł małżeński przy świadkach, ślubując sobie dożywotnią miłość i wierność. Niektórzy nawet dzisiaj przypisują węzłom i splotom znaczenie magiczne i by uchronić niemowlę przed „złym spojrzeniem”, wiążą czerwoną wstążkę przy dziecięcej kołysce. Węzły i sploty pełnią zatem funkcję nie tylko praktyczną, czy techniczną ale także kulturową i artystyczną, sprawiając, że są nieodłącznym elementem naszego codziennego życia.
Choć obiekty te są przede wszystkim przedmiotem zainteresowania matematycznej teorii węzłów, fascynują również chemików, którzy zaprojektowali i zsyntetyzowali wiele molekuł o nietrywialnej topologii. Katenany (chemiczne odpowiedniki splotów) oraz molekularne węzły są dzisiaj już nie tylko naukową ciekawostką ale coraz śmielej wykorzystuje się je do konstruowania niezwykłych katalizatorów, ligandów (związków wiążących jony metali) czy maszyn molekularnych, pozwalających na badanie ruchu w obrębie pojedynczej cząsteczki.
Większość syntetycznych węzłów i splotów otrzymuje się poprzez wykorzystanie kationów metali jako elementów organizujących molekułę w odpowiednią topologię, jednak ich obecność sprawia, że takie układy wykazują sztywność konformacyjną – praktycznie nie zmieniają one swojego kształtu. To co odróżnia w ten sposób otrzymane molekuły od występujących naturalnie molekularnych węzłów i splotów to brak elastyczności, która w przypadku białek czy kwasów nukleinowych, oraz cząsteczek organicznych, umożliwia zwijanie łańcucha, aż do utworzenia właściwej topologii. Grupa dr hab. Bartosza Szyszko, prof. UWr – naukowca z Wydziału Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego przedstawiła metodę konstruowania stabilizowanych jonami metali molekularnych splotów i węzłów cechujących się znaczną elastycznością. Zastosowanie nowego typu bloku budulcowego pozwoliło stworzyć cząsteczki wykazujące bardzo dynamiczne zachowanie, podobne do obserwowanego w przypadku złożonych biomolekuł czy syntetycznych polimerów.
Prof. Szyszko sądzi, że dalsze badania w tym obszarze pozwolą na szersze wykorzystanie węzłów i splotów molekularnych do konstruowania oryginalnych maszyn molekularnych, nowych katalizatorów, a także receptorów – związków, które dzięki zdolności dopasowywania się molekuły gospodarza do wymagań geometrycznych gościa zdolne będą do więzienia w swoich wnętrzach mniejszych cząsteczek wg mechanizmu podobnego do tego, który do wiązania swoich substratów wykorzystują enzymy.
– To co szczególnie mnie cieszy, poza zainteresowaniem środowiska naukowego naszą pracą, to fakt, że badania, które stały się podstawą artykułu prowadziła bardzo młoda badaczka – doktorantka Aleksandra Sarwa, a jeden z kluczowych wyników uzyskaliśmy dzięki zaangażowaniu studenta I stopnia studiów licencjackich – Michała Sobieraja. To pokazuje, jak ogromny potencjał mają nasi studenci i doktoranci, a szerzej grupy badawcze, które w badania naukowe angażują współpracowników przed doktoratem i studentów – podkreśla prof. Szyszko.
Ogromne znaczenie dla zrozumienia zachowania naszych molekuł miało poznanie ich dokładnej budowy chemicznej, co było możliwe dzięki współpracy z dr hab. Agatą Białońską – specjalistką z obszaru krystalografii rentgenowskiej z Wydziału Chemii, z którą współpracujemy od wielu lat.
W badaniach brali udział również naukowcy z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. O efektach współpracy badaczy z UW oraz Uniwersytetu Wrocłąwskiego można przeczytać na łamach „Angewandte Chemie” Więcej tutaj: ELASTYCZNE SPLOTY | UNIWERSYTET WARSZAWSKI (UW.EDU.PL)
Artykuł oryginalny w Angewandte Chemie International Edition
