Jedinečný molekulární CODE aneb Paramagnetické kódování molekul

S bezkontaktními RFID čipy se dnes běžně setkáváme v řadě výrobků, ale lze podobnou technologii realizovat na molekulární úrovni? Odpověď zní: ano. Princip molekulárního kódování vytvořený Miloslavem Poláškem a jeho týmem z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR představuje novou metodu na pomezí světa chemie a moderních technologií. Článek o paramagnetickém kódování molekul zveřejnil prestižní vědecký časopis Nature Communications.

Molekuly jako RFID čipy

Nový princip molekulárního kódování a prototyp takového molekulárního systému nejdříve představoval pouze sci-fi nápad. Po pěti letech vývoje se podařilo vytvořit molekuly s těmi správnými vlastnostmi, do jejichž struktury lze zabudovat ionty vzácných kovových prvků, tzv. lanthanoidů. Tyto prvky mají speciální paramagnetické vlastnosti, kterými lze ladit odezvu molekuly v magnetickém poli. Tato odezva může sloužit jako nosič digitální informace a lze ji přečíst prostřednictvím nukleární magnetické rezonance v radiofrekvenčním spektru analogicky k RFID čipům. Navíc je možné tyto molekulární konstrukce dál spojovat a kombinovat, a tím vytvářet složitější, ale přesto stále čitelný signál nesoucí komplexnější digitální informaci.

ÚOCHB/Tomáš David: Vědci pomocí sady molekul obsahujících dva různé lanthanoidy zakódovali obraz slova CODE, který následně přečetli pomocí magnetické rezonance (umělecké zpracování)

„S šesti prvky bychom dokázali označit unikátními kódy např. všechny eurobankovky v oběhu. Když si uvědomíme, že těch využitelných prvků je celkem 12, dostáváme do ruky nástroj s obrovským potenciálem.“

— Miloslav Polášek, vedoucí skupiny Koordinační chemie v ÚOCHB

„V našem článku pro Nature Communications jsme představili nejjednodušší možný systém dvou spojených molekul a do nich jsme vložili různé kombinace atomů dvou vybraných lanthanoidů, dysprosia a holmia. Ukázali jsme, že i s takovým primitivním systémem lze vytvořit čtyři jedinečné signály a z nich sestavit patnáct různých digitálních kódů,“ říká Miloslav Polášek, vedoucí skupiny Koordinační chemie v ÚOCHB.

„Na první pohled to není mnoho, ale počet kódů prudce vzrůstá s počtem použitých prvků. Třeba čtyři prvky poskytnou 65 535 kódů a už s pouhými šesti bychom dokázali označit unikátními kódy např. všechny eurobankovky v oběhu. Když si uvědomíme, že těch využitelných prvků je celkem 12, dostáváme do ruky nástroj s obrovským potenciálem.“

ÚOCHB/Tomáš Belloň: Dr. Miloslav Polášek & Jan Kretschmer, skupina Koordinační chemie v ÚOCHB

Lanthanoidy v molekulární kleci

Klíčovou roli hrají molekulární konstrukce, do nichž je možné zabudovat atomy lanthanoidů na přesně definovaná místa. „V naší skupině pracujeme s chelátory, což jsou molekuly, které umí vázat ionty kovů a uzavřít je do sebe jako do klece. My jsme tyto molekulární klece s uzavřeným kovem propojili prostřednictvím aminokyseliny. Navíc jsme k nim připojili další část, která v magnetickém poli funguje jako vysílač, jehož frekvence se odvíjí od toho, jaké kovové ionty se v daném řetězci vyskytují, a v jakém pořadí,“ vysvětluje člen týmu Jan Kretschmer z ÚOCHB a student Přírodovědecké fakulty UK.

O použití molekul jako nosičů informací se nezajímá pouze Miloslav Polášek a jeho tým. Jiní vědci zatím primárně hledali cesty inspirované biologií a využívající například DNA. Výhodou DNA je totiž schopnost pojmout obrovské množství informací v jedné molekule. Naopak velkou nevýhodou je její komplikované čtení, které vyžaduje odebrání a zásah do vzorku, kdy navíc hrozí kontaminace jinou DNA z okolního prostředí. Zásadní předností paramagneticky kódovaných molekul je možnost vzdáleného přečtení informace. Proces čtení lze libovolně opakovat a nedochází při něm k poškození nebo spotřebování molekul, uložení informace je tak trvalé.

„Když jsme článek představující naši metodu poslali do časopisu poprvé, doporučil nám jeden z recenzentů, abychom na konkrétním příkladu prokázali její fungování. Vzali jsme to jako výzvu a udělali jsme dva experimenty. V prvním jsme použili naši sadu molekul k zakódování obrazu, do nějž bylo vepsáno slovo ‚CODE‘, které jsme přečetli pomocí magnetické rezonance ve spolupráci s týmem Daniela Jiráka z IKEM. Ve druhém experimentu jsme trochu jinou metodou zakódovali slovo ‚Lanthanide‘ v digitálním kódu,“ dodává Miloslav Polášek.

ÚOCHB/Tomáš Belloň: Dr. Miloslav Polášek & Jan Kretschmer, skupina Koordinační chemie v ÚOCHB

Perspektivy

Stávající molekulární systém využívá 4 různých lanthanoidů a je spolehlivě schopen 16bitového kódování. Optimalizovaný systém využívající i zbylé lanthanoidy však v principu umožní 64bitové kódování či vyšší, což představuje příležitosti pro využití v mnoha oblastech. Je tak v principu možné značkovat mikroskopické objekty, jako třeba buňky, nebo makroskopické objekty, jako léky či bankovky. Tým Miloslava Poláška v nejbližších letech plánuje aplikace nejen pro chemii a farmacii, ale také telemedicínu a další sektory zaměřené na vývoj inovativních technologií.

Kromě vědců z ÚOCHB a Přírodovědecké fakulty UK se na výzkumu podíleli rovněž výzkumníci z Institutu klinické a experimentální medicíny a Vysoké školy chemicko-technologické v Praze. Finančně jej podpořila Grantová agentura České republiky (projekt č. 17-22834Y).

ÚOCHB/Tomáš David, Tomáš Belloň: Slovo LANTHANIDE v molekulárním digitálním kódu vytvořeném s pomocí čtyř různých lanthanoidů

Původní článek

Kretschmer, J.; David, T.; Dračínský, M.; Socha, O.; Jirak, D.; Vít, M.; Jurok, R.; Kuchař, M.; Císařová, I.; Polasek, M. Paramagnetic encoding of molecules. Nat Commun 2022, 13, 3179. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30811-9

Miloslav Polášek, Ph.D. je vedoucím skupiny Koordinační chemie v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Ve svém výzkumu se dlouhodobě zabývá sloučeninami tzv. lanthanoidů, prvků vzácných zemin, a jejich použitím v medicíně a v dalších průmyslových oblastech. V předchozích letech se týmu Dr. Poláška podařilo vyvinout novou metodu výroby radioaktivního izotopu lutecia 177 pro léčbu rakoviny. Patentovaná metoda byla licencována americké společnosti SHINE Technologies, která ji využívá pro výrobu lutecia 177 v průmyslovém měřítku.

ÚOCHB/Tomáš Belloň: Vědecká skupina Miloslava Poláška Koordinační chemie