Kemijska evolucija, 3D-tiskanje zdravil in še kaj

Prof. Lee Cronin: »Končni cilj je ustvariti anorganske celice, ki bi imele vse elemente živih organizmov, a na drugih temeljih«

Objavljeno
03. november 2017 13.32
Iztok Turel
Iztok Turel
Nedavno je Slovenijo obiskal profesor Lee Cronin, uspešni britanski znanstvenik, ki raziskuje na več področjih. Zanimajo ga predvsem anorganska biologija, digitalna kemija in različni vidiki nanotehnologije. Med obiskom je imel predavanje na ljubljanski fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, v okviru doktorskega študijskega programa Kemijske znanosti je govoril o razvoju splošne teorije o kemijski evoluciji.

Življenje na našem planetu temelji na organski biologiji, ki je povezana z ogljikovimi spojinami v različnih oblikah, kot so aminokisline, nukleotidi, sladkorji. Anorganske spojine pa povezujemo z neživim svetom. Vaše raziskave, odkritja in ideje na področju anorganske biologije bi te poglede lahko spremenile. Lahko malce pojasnite svoje študije na tem področju?

Za žive organizme so značilni procesi kot podvojevanje, širitev informacij, popravljanje napak, prav tako pa lahko pri njih poteka evolucija. Tudi v neživih sistemih lahko opazimo katero od takšnih lastnosti, recimo podvojevanje oziroma kopiranje. V naši raziskovalni skupini iščemo najmanjše anorganske sisteme, ki so sposobni samozdruževanja, poleg tega pa so sposobni tudi podvojevanja in katalize. Končni cilj je ustvariti anorganske celice, ki bi imele vse elemente omenjenih živih organizmov, a na drugih temeljih.

Zanima nas tudi prebiotična kemija, oziroma kaj se je dogajalo v naravnem okolju, preden se je na našem planetu pojavilo življenje. Pri tej vrsti raziskav se pojavlja množica vprašanj. Ali je morda na Zemlji v preteklosti obstajalo celo več različnih biologij? Kakšne vloge so pri razvoju življenja imeli minerali? Vsekakor so raziskave »anorganskega življenja« še v zelo zgodnjih fazah, a sem prepričan, da bo v prihodnje prišlo do velikega napredka in zanimivih novih odkritij.

Lahko za lažjo predstavo na kratko opišete kak konkreten primer?

Prostorska ločitev je v celicah zelo pomembna, saj omogoča kontroliran prenos snovi in energije med različnimi okolji. To funkcijo v živih organizmih opravljajo biološke membrane, ki pa jih ni enostavno narediti. Nam je uspelo pripraviti hibridne anorganske kemijske celice, ki smo jih poimenovali iCHELLs. Nastanejo na stiku med vodno raztopino polioksometalata (POM) in organskega kationa. Uporaba POM-ov za te namene je povezana tudi z njihovimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi (redoks, katalitske, fotokemijske, magnetne), ki lahko povečajo funkcionalnost nastalih hibridnih materialov. Tako smo kontrolirano pripravili z membranami obdane celicam podobne strukture, s premerom od 50 mikrometrov do nekaj milimetrov. S spreminjanjem pogojev pri pripravi smo lahko spremenili tudi lastnosti tovrstnih membran.

Prav tako ste pred kratkim objavili študijo, ki opisuje spontano združitev anorganske in organske snovi v strukturo, zelo podobno DNK.

Tako je. Pri reakciji med molibdenovim polioksometalatom in gvanozin monofosfatom je nastala spojina, katere struktura je geometrijsko zelo podobna dvojni vijačnici oblike Z-DNK. Naša struktura je pokazala, da za nastanek dvojne vijačnice v taki hibridni molekuli ne potrebujemo kovalentno povezanega linearnega zaporedja, kakršnega predstavljajo nukleobaze v DNK. DNK je za molekularno biologijo osrednja molekula, vendar pa še vedno ni popolnoma znano, kako so prve takšne molekule nastale.

Klasični Miller-Ureyev eksperiment, pri katerem sta ta dva znanstvenika simulirala razmere, kakršne naj bi vladale na našem planetu pred davnimi leti, je pokazal, da pod določenimi pogoji lahko iz preprostih, večinoma anorganskih snovi, kot so voda, amonijak, vodik in metan, nastanejo aminokisline. Zelo me je navdušila raziskava, v kateri ste le malo spremenili eksperiment, rezultati pa so bili precej drugačni.

Miller-Ureyev eksperiment je bil izveden v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Pri izvornem eksperimentu je bilo uporabljenih malo reagentov in ti so bili čisti. Prajuha je brez dvoma imela veliko bolj heterogeno sestavo. Kljub temu je ta eksperiment pokazal, da že pri takih pogojih nastanejo številne in raznolike spojine. Mi smo se odločili, da uporabimo enake reagente, ki pa so bili devterirani, torej so namesto navadnega vodika vsebovali njegov izotop devterij. Ugotovili smo, da ima devteriranje le majhen vpliv na porazdelitev aminokislinskih produktov. Smo pa zato z drugačnimi analitskimi pristopi, od sicer običajno uporabljanih, pri tovrstnih eksperimentih zaznali okrog 120 novih kemijskih zvrsti. Prav tako smo opazili, da je porazdelitev produktov pri obeh oblikah vodikovih izotopov zelo različna. Skratka, zelo majhne spremembe pri eksperimentu so vodile do velikih sprememb rezultatov. Seveda bomo eksperimente pri spremenjenih pogojih izvajali še naprej.

Precejšen del kariere se ukvarjate s polioksometalati. Poleg sinteznega dela ste proučevali tudi številne zanimive lastnosti teh spojin. Prav tako se v prestižnem projektu Evropskega raziskovalnega sveta ukvarjate z raziskovanjem in sintezo polioksometalatnih klastrov, vodeno s pomočjo umetne inteligence.

S polioksometalati se res, tako ali drugače, ukvarjam večji del svoje znanstvene kariere, saj me zanimajo zelo različni vidiki teh zanimivih spojin. Dostikrat sinteza teh strukturno kompleksnih spojin sicer ni preveč zahtevna. Z mešanjem reaktantov pri primernih pogojih, s tako imenovanim principom od spodaj navzgor, lahko s samozdruževalnimi procesi nastanejo zelo raznolike strukture v obliki kletk, makrociklov itd. Tako pa kontrola procesa in nastanka določenih produktov ni vedno najboljša. Mi smo pri pripravi molibdenovih kolesastih struktur, sestavljenih iz 150 molibdenovih atomov (Mo150), uporabili pretočne reaktorske sisteme. Pri tem smo ugotovili, da pri nastanku večjega klastra Mo150 sprva nastane manjša templatna zvrst (Mo36). To je zelo pomembna ugotovitev za boljše razumevanje nastanka tovrstnih nanomaterialov z dobro definirano obliko, velikostjo in sestavo.

Z raziskavami v okviru projekta ERC nadgrajujemo spoznanja z novimi pristopi. Tako si na primer pomagamo tudi z algoritmi umetne inteligence. Na ta način se lažje prebijamo skozi množice možnih kombinacij in nam ni treba razmišljati o sintezi vsake možne molekule.

Lahko navedete primer praktične uporabe teh spojin?

Ena od možnosti je razkroj vode, pri katerem kot enega od produktov dobimo vodik. Možnih uporab vodika je sicer zelo veliko in trenutno se ga daleč največ pridobi iz fosilnih goriv, kar pa ni do okolja prijazen proces, saj pri tem nastaja tudi ogljikov dioksid. Obstajajo številni drugi načini za pripravo vodika, zanimiva je predvsem elektroliza vode, še posebej če se pri tem uporabijo obnovljivi viri energije. Trenutne tehnične izvedbe elektrolize so različne in pogosto povezane s težavami pri izvedbi, kot je nastanek reaktivnih kisikovih zmesi, ki poškodujejo membrane, ali pa nastanek nevarnih eksplozivnih zmesi vodika in kisika. Mi smo pri elektrolizi uporabili tudi kompleksno polioksokislino silicija in volframa s formulo H4[SiW12O40] POZOR POZOR . V tem primeru slednja spojina odigra vlogo redoks posrednika, ki se med procesom lahko reverzibilno reducira in protonira v H6[SiW12O40] , torej veže vodik. To spojino lahko nato prenesemo v ločen del sistema, kjer ji s katalizatorjem varno odvzamemo vodik.

POZORPOZORŠe en praktični primer je uporaba POM-ov za bliskovne pomnilnike (angl. flash memory ) na molekulski osnovi. To so pomnilniki, ki jih lahko elektronsko izbrišemo ali reprogramiramo in se uporabljajo v različnih napravah, kot so spominski ključki, kamere in pametni telefoni. Pri tehnologiji, ki se trenutno uporablja, torej na osnovi kovinsko-oksidnih polprevodnikov, je težko narediti komponente z dimenzijami pod 10 nanometri. Znanstveniki so že pred časom predlagali, da bi kot komponente takšnih sistemov uporabili individualne molekule. Toda praktična izvedba je tudi v tem primeru tehnično zelo zahtevna. Mi smo v ta namen pripravili in uporabili strukturno stabilne POM klastre, dopirane s selenovo spojino, ki imajo primerno elektronsko funkcionalnost. Takšni sistemi so možni kandidati za uporabo v novem tipu bliskovnih pomnilnikov.

V zadnjem času ste objavili tudi nekaj člankov o 3D-tiskanju. Tovrstna tehnologija je vedno bolj dostopna in ponuja kopico možnosti na številnih področjih.

Res je. Mi smo recimo najprej skonstruirali sinteznega robota, ki je pripravil reakcijske posode za načrtovane kemijske reakcije. To smo potem uporabili za pripravo protivnetne nesteroidne učinkovine ibuprofena. Tristopenjska reakcija je potekala v eni posodi (»one-pot« sinteza). Sintezo lahko z uravnavanjem parametrov robotovega kontrolnega programja izvedemo v različnih skalah. Pokazali smo, da lahko kemijsko sintezo digitaliziramo in avtonomno izvedemo z robotskim sistemom.

Zanimiv primer uporabe, ki smo se ga prav tako lotili, je povezan z vse bolj perečim problemom odpornosti bakterij proti antibiotikom. Težava je, da po okužbi ne vemo takoj, za katero bakterijo gre. Za to je potrebna preiskava v specializiranem laboratoriju, kar zahteva čas. Pogosto se pri okužbah uporabijo neučinkoviti antibiotiki. Razvili in zgradili smo poceni sistem, ki temelji na 3D-tiskanju in je zelo hiter ter enostaven za uporabo. Integrirana naprava, ki se avtomatično napolni z rastnim medijem, je sposobna inkubirati mikroorganizme in hkrati testirati učinkovitost zdravila, saj s tehnologijo črnilnega tiskanja na gojišče razprši antibiotik. S trenutno izvedenimi poskusi smo za zdaj le potrdili koncept. Menimo pa, da bi v prihodnje takšne sisteme lahko uporabljali v raziskovalne in tudi klinične namene.