Een samenwerkingsverband van instellingen, waaronder de Rijksuniversiteit Groningen, heeft een geheel nieuwe klasse van moleculaire fotoschakelaars ontwikkeld die voldoen aan veel vereisten die voorheen als onbereikbaar werden beschouwd. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 3 juni.

Moleculaire fotoschakelaars zijn van bijzonder belang voor onderzoek omdat ze een niet-invasief en gelokaliseerd middel zijn voor zaken als het activeren van een medicijn waar en wanneer het nodig is. Dergelijke schakelaars bestaan, maar zijn verre van ideaal omdat ze schadelijk ultraviolet licht nodig hebben voor hun werking, wat vanuit klinisch oogpunt een showstopper is.

Verder, ze kunnen niet uitsluitend van de ene toestand naar de andere worden geschakeld, en functioneren normaal gesproken niet onder fysiologische omstandigheden van het menselijk lichaam. Absorptiebanden beschrijven welke golflengten van licht nodig zijn om te schakelen. Wanneer de absorptiebanden van de staat "aan" en "uit" elkaar overlappen, schakelen tussen de twee toestanden vereist licht van dezelfde golflengte, wat erg ineffectief is. Echter, als de absorptiebanden goed gescheiden zijn, dan kan met licht van verschillende golflengten met hoge specificiteit en efficiëntie worden geschakeld tussen de "aan"- en "uit"-toestand. Moleculaire schakelaars die aan dergelijke vereisten voldoen, zijn dus zeer wenselijk, maar tot nu toe, niemand heeft een passend ontwerp kunnen bedenken.

Thio-indigo en azobenzeen zijn twee chemische motieven die veel worden gebruikt in moleculaire schakelaars, zij het dat ze de eerder genoemde nadelen hebben. Dr. Wiktor Szymanski van het Universitair Medisch Centrum Groningen realiseerde zich dat een fusie van deze twee ook zou moeten kunnen functioneren als een fotoschakelaar, en, vergelijkbaar met kruising, zou zeer waarschijnlijk verbeterde eigenschappen hebben in vergelijking met zijn 'ouders'.

"Echter, de eerste resultaten waren zeer teleurstellend, " zegt Mark Hoorens, de Ph.D. student in het UMCG die de verbinding iminothioindoxyl (ITI) synthetiseerde en probeerde om te schakelen. "We zagen geen verandering in het absorptiespectrum toen we het bestraalden, er leek niets te gebeuren. We verloren daarom de interesse in deze verbinding en gingen verder met ander onderzoek."

Op het 2017 International Symposium on Photopharmacology, georganiseerd in Groningen, de groep besprak hun resultaten met wetenschappers van de groep Molecular Photonics van de Universiteit van Amsterdam. Op basis van die discussie de onderzoekers concludeerden dat het misschien de moeite waard is om de bestralingsexperimenten te herhalen met behulp van de faciliteiten van de Universiteit van Amsterdam, die een betere tijdresolutie hebben. Het nieuwe experiment leverde een verrassend resultaat op.

"Aanvankelijk, we geloofden onze ogen niet, ", zegt Mark Hoorens (UvA). "We zagen een volledig gescheiden absorptieband verschijnen 100 nm ten opzichte van het rood van de steady-state absorptieband van ITI met een levensduur van ongeveer 10 tot 20 milliseconden, en in eerste instantie vermoedde zelfs dat we naar verontreiniging in het monster keken." Een van zijn "ouders" absorbeerde in het UV-gebied en had bandscheiding, terwijl de andere ouder geabsorbeerd wordt in het zichtbare lichtgebied, maar had geen goede bandscheiding.

De nieuwe schakelaar had het beste van beide. Dergelijke eigenschappen zijn nog nooit eerder waargenomen in een fotoschakelaar. Vervolgexperimenten bevestigden dat ITI inderdaad de schakelaar voor zichtbaar licht is waarnaar de wetenschappers op zoek waren. Experimenten op een femto- en picoseconde tijdschaal, uitgevoerd in de laboratoria van Dr. Mariangela Di Donato van het European Laboratory of Non-Linear Spectroscopy, maakten verdere mechanistische studies mogelijk. Mariangela zegt, "Uit deze onderzoeken het werd duidelijk dat ITI schakelt op een ultrasnelle tijdschaal van enkele honderden femtoseconden, vergelijkbaar met hoe snel het visuele pigment in onze ogen wordt verwisseld als er licht op valt."

Kwantumberekeningen

De definitieve bevestiging werd geleverd door kwantumchemische berekeningen uitgevoerd door Dr. Adèle Laurent (Universiteit van Nantes) en Dr. Miroslav Medved' (Palacky University in Olomouc). Deze berekeningen voorspelden de absorptiemaxima van de twee foto-isomeren die erg leken op die welke experimenteel werden waargenomen, maar ook een drempel om terug te gaan naar de oorspronkelijke vorm die uitstekend paste bij de waargenomen levensduur. "In eerste instantie, we waren nogal verbaasd over deze gigantische 100 nm bandscheiding, " zegt Laurent, "maar onze berekeningen geven daar nu een logische verklaring voor. Wat nog beter is, is dat ze ons in staat stellen te voorspellen hoe ITI kan worden aangepast aan de specifieke eisen van zijn gebruikers."

Mark Hoorens heeft inmiddels meerdere rassen gesynthetiseerd die in Amsterdam verder zijn gekarakteriseerd, Florence, Nantes en Olomouc. Uit deze onderzoeken het is duidelijk geworden dat ITI een ongelooflijk veelzijdige schakelaar is die kan worden bediend onder een breed scala aan experimentele omstandigheden, waaronder, belangrijk, biologische, en met eigenschappen die relatief eenvoudig te tunen zijn.