Tegenwoordig komen we vaak contactloze RFID-chips tegen in een aantal producten, maar kan vergelijkbare technologie op moleculair niveau worden geïmplementeerd? Het antwoord is ja. Het principe van moleculaire codering, bedacht door Miloslav Polášek en zijn team bij IOCB Praag, vertegenwoordigt een nieuwe methode op de grens van chemie en moderne technologieën. Hun paper over paramagnetische codering van moleculen is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Het nieuwe principe van moleculaire codering en prototype van een dergelijk moleculair systeem waren aanvankelijk slechts sci-fi-ideeën. Na vijf jaar ontwikkeling is het team erin geslaagd moleculen te maken met de juiste eigenschappen, waarvan de structuur geschikt is voor het inbouwen van ionen van zeldzame aardmetalen, zogenaamde lanthaniden. Deze elementen hebben speciale paramagnetische eigenschappen die het mogelijk maken om de reactie van het molecuul in een magnetisch veld af te stemmen. De respons kan dienen als drager van digitale informatie en kan, analoog aan RFID-chips, door middel van kernmagnetische resonantie in het radiofrequentiespectrum worden uitgelezen. Bovendien kunnen deze moleculaire constructies verder worden gekoppeld en gecombineerd om een ​​steeds complexer maar toch leesbaar signaal te creëren met een hogere capaciteit voor digitale informatie.

"In onze paper voor Nature Communications , hebben we het eenvoudigst mogelijke systeem van twee gekoppelde moleculen geïntroduceerd, waarin we verschillende combinaties van atomen van twee geselecteerde lanthaniden, dysprosium en holmium, hebben ingevoegd. We hebben aangetoond dat het zelfs met zo'n primitief systeem mogelijk is om vier unieke signalen te creëren en deze te gebruiken om vijftien verschillende digitale codes te genereren", zegt Miloslav Polášek, hoofd van de Coördinatiechemiegroep van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen / IOCB Praag. "Dat lijkt in eerste instantie misschien niet veel, maar het aantal codes groeit dramatisch naarmate het aantal elementen toeneemt. Vier elementen leveren 65.535 codes op en met slechts zes zouden we bijvoorbeeld alle eurobankbiljetten die momenteel in omloop zijn, kunnen voorzien van unieke codes. Aangezien we twaalf van deze elementen kunnen gebruiken, krijgen we een tool met een enorm potentieel."

Een moleculaire constructie die opname van lanthanide-atomen op nauwkeurig gedefinieerde locaties mogelijk maakt, speelt een sleutelrol. "Onze groep werkt met chelatoren, dat zijn moleculen die bindingen kunnen vormen met metaalionen en deze kunnen omsluiten in een structuur die eruitziet als een kooi. We gebruikten een aminozuur om deze metaalbevattende moleculaire kooien te koppelen, en we koppelden ook een ander onderdeel aan die als zender in het magnetische veld werken en waarvan de frequentie afhangt van het type metaalionen en hun volgorde", legt Jan Kretschmer uit, een lid van het team van IOCB Praag en een student aan de Faculteit Wetenschappen, Charles University.

Miloslav Polášek en zijn team zijn niet de enigen die geïnteresseerd zijn in het gebruik van moleculen als informatiedragers; andere onderzoekers hebben vooral gezocht naar manieren geïnspireerd door de biologie, met bijvoorbeeld DNA. Het voordeel van DNA is het vermogen om enorme hoeveelheden informatie in een enkel molecuul vast te houden. Aan de andere kant is een groot nadeel de gecompliceerde lezing ervan, waarbij een monster moet worden afgenomen en gemanipuleerd, wat bovendien een risico vormt op besmetting met een ander DNA uit de omgeving. Het fundamentele voordeel van paramagnetische moleculaire codering is dat de informatie op afstand kan worden gelezen. Het leesproces kan voor onbepaalde tijd worden herhaald zonder enige schade aan het molecuul of uitputting. De informatie wordt permanent opgeslagen.

"Toen we ons artikel voor het eerst bij het tijdschrift indienden, stelde een van de recensenten voor dat we een specifiek voorbeeld van het gebruik van de methode zouden geven. We namen dat als een uitdaging en voerden twee experimenten uit. In de eerste gebruikten we onze set van moleculen om een ​​afbeelding te coderen met het woord 'CODE' erin gegraveerd, die we vervolgens lezen met behulp van magnetische resonantie in samenwerking met het team van Daniel Jirák van het Institute of Clinical and Experimental Medicine.In het tweede experiment gebruikten we een iets andere methode om het woord 'Lanthanide' in de digitale code te coderen," voegt Dr. Polášek toe.

Het huidige moleculaire systeem gebruikt vier verschillende lanthaniden en is betrouwbaar in staat tot 16-bits codering; een geoptimaliseerd systeem dat ook de resterende lanthaniden gebruikt, zou echter in principe 64-bits codering of zelfs hoger kunnen toestaan, en dat zou op veel gebieden mogelijkheden bieden voor toepassingen. In principe is het mogelijk om zowel microscopische objecten, zoals cellen, als macroscopische objecten zoals medicijnen of bankbiljetten te labelen. Het team van Miloslav Polášek plant de komende jaren toepassingen voor de chemie en farmacie, maar ook voor telegeneeskunde en andere sectoren die zich richten op de ontwikkeling van innovatieve technologieën. + Verder verkennen

Verder gaan dan de moleculen van Moeder Natuur om zich op radioactieve metalen te richten