WEST LAFAYETTE, Ind. - Лазеры используются для выполнения различных функций, от считывания этикетки со штрих-кодом в продуктовом магазине до уничтожения вражеских ракет в космосе. Теперь химики из Университета Пердью используют лазеры, чтобы уговорить отдельные молекулы изменить свою форму, шаг, который когда-нибудь позволит ученым заставить молекулы выполнять определенные функции. Исследовательская группа под руководством профессора химии Тимоти Цвира продемонстрировала, как можно использовать лазерный свет, чтобы побудить большую молекулу внести изменения в ее трехмерную структуру.
Большие молекулы, такие как белки, состоят из полипептидных цепей, которые скручиваются и складываются, образуя уникальную трехмерную форму или конформацию. Молекулы также могут реконфигурироваться во множество различных форм. Такие конформационные изменения могут изменить то, как молекула реагирует с другими молекулами.
Используя лазерный свет для возбуждения одной химической связи в молекуле, содержащей две пептидные группы, команда Цвира показала, что они могут изменить предпочтительную форму молекулы, просто выбрав длину волны лазера. С Цвиером работали аспирант Брайан Дайан и научный сотрудник с докторской степенью Асьер Лонгарт.
Результаты показывают, что когда-нибудь ученые смогут использовать лазерный свет в качестве «переключателя» для изменения структуры молекулы, побуждая ее к действию или изменяя ее активность, говорит Цвиер.
«Очевидно, что мы все еще далеки от применения этих методов непосредственно к белкам, ДНК или тому подобному», - говорит он. «Тем не менее, этот подход может когда-нибудь позволить нам использовать лазер для прямого манипулирования структурой молекул и тем самым включать и выключать их функции с помощью света."
Выводы, которые в настоящее время находятся на веб-сайте Science Express, https://www.scienceexpress.org и вскоре будут опубликованы в печатном выпуске журнала Science, могут предоставить фундаментальную информацию о процессе складывания, используемом белков и других крупных молекул. Исследование также указывает на потенциальные новые возможности для разработки приложений для использования в молекулярно-электронных устройствах.
«С научной точки зрения это исследование интересно тем, что лазерное возбуждение не только эффективно управляет конформационными изменениями, но и обеспечивает это изменение уникальным способом», - говорит Цвиер.
С момента изобретения лазера в 1960 году химики интересовались использованием его света в качестве реагента для запуска химических реакций. Надежда заключалась в том, что лазеры можно будет использовать для избирательного введения энергии в определенную химическую связь, тем самым вызывая разрыв связи. Такой этап инициации позволит химикам формировать молекулы продукта с желаемым набором химических свойств.
Сложность этого подхода, называемого химией, селективной по модам, заключается в том, что, хотя лазер первоначально возбуждает одну связь или группу атомов, в большинстве случаев энергия распределяется по другим частям молекулы.
«В некотором смысле молекула теряет память о том, как энергия была первоначально передана ей», - говорит Цвиер. «В результате лазер «нагревает» молекулу почти так же, как и традиционный источник нагрева, такой как горелка Бунзена или электроплитка».
Хотя модально-селективная химия была достигнута на нескольких небольших молекулах, таких как вода, считалось, что сложность селективного разрыва одиночной химической связи возрастает по мере увеличения размера молекулы.
«Поскольку более крупные молекулы имеют гораздо больше колебательных движений, доступных им, у них есть гораздо больше способов смешивать энергию, и делать это в более быстром масштабе времени, чем маленькие молекулы», - говорит Цвир..
Однако из-за своего размера и сложности большие молекулы, такие как белки, открывают возможности для другого вида химии, не связанного с разрывом химических связей, говорит Цвиер.
«Большие молекулы могут принимать множество различных форм или конформаций», - говорит он. «Такие конформационные изменения сами по себе являются реакциями, но они также могут служить для изменения реактивности молекулы с другими молекулами».
Цвир говорит, что для конформационных изменений в молекуле требуется меньше энергии, чем требуется для разрыва химической связи, и это может быть сделано несколькими путями. Его результаты показывают, что, выбирая различные длины волн инфракрасного излучения, лазер можно использовать для избирательного выбора новой формы молекулы.
В своем исследовании команда Purdue использовала инфракрасный лазер для возбуждения специфических связей внутри молекулы, имеющей три различные конформации. Исследователи применили лазер к набору молекул, найденных в одной из трех конформаций, дав им энергию, необходимую для претерпевания конформационных изменений. Второй лазер, использующий ультрафиолетовый свет, затем использовался для обнаружения изменений в каждой из конформаций, вызванных инфракрасным лазером.
Исследователи были удивлены, обнаружив, что когда определенная связь подвергается колебательному возбуждению лазером, это заставляет большинство молекул реконфигурироваться в определенную конформацию, в то время как возбуждение другой связи побуждает большинство молекул принимать другую форму. конформация.
«Хотя нам еще предстоит создать однородную популяцию со всеми молекулами в одной и той же конформации, мы показали, что этот метод может побуждать молекулы изменять форму, благоприятствуя образованию одной, а не другой», - говорит Цвиер.
Результаты показывают, что модально-селективную химию на самом деле легче индуцировать в больших молекулах, чем в малых, если будут найдены способы селективного возбуждения одинарных связей, говорит он.
Мы смогли продемонстрировать осуществимость этого подхода в нашей молекуле, но более крупные молекулы, такие как белки, имеют гораздо больше групп, которые могут поглощать на одинаковых длинах волн, поэтому выборочное возбуждение может стать более трудным. одинарная связь, - говорит он.
Цвир и его исследовательская группа планируют продолжить дальнейшие исследования, чтобы определить, как молекулы переходят из одной конфигурации в другую. Понимание этого процесса может позволить ученым точно настроить процесс производства молекул с определенной конформацией.
«Одна из основных задач будущих исследований - провести эту работу над изолированными молекулами в газовой фазе и посмотреть, можно ли использовать лазер для управления аналогичными процессами в молекулах, обнаруженных в растворе или на поверхности», - Цвиер. говорит.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Фондом нефтяных исследований.