De taak van hemoglobine lijkt vrij eenvoudig:het transporteert zuurstofmoleculen door de bloedbaan. Maar dit werkt alleen zo goed omdat het hemoglobinemolecuul extreem complex is. Hetzelfde geldt voor chlorofyl, die zonlicht omzet in energie voor planten.

Om de subtiele kneepjes van zulke complexe moleculen te begrijpen, het is de moeite waard om vergelijkbare maar eenvoudigere structuren in het laboratorium te onderzoeken. Onderzoekers van TU Wien (Wenen) en Triëst, bestudeerde ftalocyanines, die een moleculaire ringstructuur hebben die sterk lijkt op de cruciale secties van hemoglobine of chlorofyl. Het blijkt dat het centrum van deze ringstructuren onder groen licht in verschillende toestanden kan worden geschakeld, die hun chemisch gedrag beïnvloeden.

Dit helpt niet alleen om biologische processen te begrijpen, het opent ook nieuwe mogelijkheden om de kneepjes van de natuur in het laboratorium voor andere doeleinden te gebruiken - een strategie die biomimetica wordt genoemd en die steeds belangrijker wordt.

Ringen met metaalatomen in het midden

"De ftalocyanines die we bestuderen zijn kleurrijke kleurstoffen met een karakteristieke ringstructuur, ", zegt prof. Günther Rupprechter van het Instituut voor Materiaalchemie aan de Technische Universiteit van Wenen. "Cruciaal voor deze ringstructuur is dat het een ijzeratoom in het midden kan houden - net als heem, de ringvormige rode kleurstof in hemoglobine. Chlorofyl heeft een vergelijkbare ring die magnesiumatomen vangt. "

In tegenstelling tot de meer gecompliceerde natuurlijke moleculen, de op maat gemaakte ftalocyaninekleurstoffen kunnen regelmatig naast elkaar op een oppervlak worden geplaatst, zoals tegels op een badkamermuur. "De ringen werden in een regelmatig patroon op een grafeenlaag geplaatst, zodat een tweedimensionaal kristal van kleurstofringen ontstond, " zegt Matteo Roiaz, die de experimenten samen met Christoph Rameshan uitvoerde.

“Dit heeft als voordeel dat we veel moleculen tegelijk kunnen onderzoeken, wat ons veel sterkere meetsignalen geeft, " legt Rameshan uit.

Koolmonoxidemoleculen dienden als sondes om deze ringen te onderzoeken:één molecuul kan zich hechten aan het ijzeratoom, die in het midden van de ring wordt gehouden. Uit de trilling van het koolmonoxidemolecuul kan men informatie krijgen over de toestand van het ijzeratoom.

Om de vibratie te bestuderen, het molecuul werd bestraald met groen en infrarood laserlicht. Deze meting leverde een resultaat op dat op het eerste gezicht sterk contra-intuïtief leek:"We hebben niet simpelweg een enkele trillingsfrequentie van koolmonoxide gemeten. In plaats daarvan hebben we we vonden vier verschillende frequenties. Dit had niemand verwacht, " zegt Günther Rupprechter. "De ijzeratomen zijn allemaal identiek, dus de CO-moleculen die eraan vast zitten, zouden allemaal precies hetzelfde gedrag moeten vertonen."

Zoals later bleek, het groene licht van de laser zorgde voor een opmerkelijk effect. Aanvankelijk, alle ijzeratomen waren inderdaad identiek, maar de interactie met groen licht kan ze naar verschillende toestanden schakelen. "Dit verandert ook de oscillatiefrequentie van het CO-molecuul op het ijzeratoom, wat ons laat zien hoe gevoelig dergelijke structuren reageren op kleine veranderingen, ", zegt Günther Rupprechter. "Dat is ook de reden waarom de biomoleculen in ons lichaam zo'n complexe structuur hebben - de wijd vertakte eiwitcomponenten hebben een minimale invloed op de toestand van het metaalatoom, maar deze minimale impact kan zeer belangrijke implicaties hebben."

Meten bij kamertemperatuur en atmosferische druk

Tot nu, vergelijkbare effecten konden alleen worden bestudeerd bij extreem lage temperaturen en in ultrahoog vacuüm. "In het laboratorium, we hebben nu twee methoden waarmee dergelijke biologisch relevante verschijnselen kunnen worden gemeten bij kamertemperatuur en atmosferische druk, met en zonder groen licht, " benadrukt Rupprechter. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor een beter begrip van het chemische gedrag van biologische stoffen; het zou ook de mogelijkheid kunnen openen om nieuwe moleculen op maat te maken om ze te optimaliseren voor natuurspecifieke chemische doeleinden.