WELCOME      >      PROJECTS

MAESTRO 2021

ŚWIATŁO CZERWONE – NARZĘDZIE DLA CHEMII ORGANICZNEJ I BIOORTOGONALNEJ

Różnorodność i złożoność procesów zachodzących w Naturze od zawsze stanowiły inspirację napędzającą rozwój człowieka. Przez wieki światło i jego znaczenie pozostawały jedną z największych tajemnic otaczającego nas świata. Nauczyliśmy się, że promieniowanie słoneczne odgrywa kluczową rolę w wielu procesach biologicznych, w szczególności w procesie fotosyntezy, będącej fundamentem funkcjonowania flory. Odkryliśmy, że bodziec ten wpływa również na funkcjonowanie naszych organizmów, między innymi katalizując syntezę prowitaminy D3 lub stymulując produkcję melatoniny. Zrozumienie potencjału drzemiącego w wykorzystaniu energii fotonów przyczyniło się do wyodrębnienia fotochemii jako nauki, której istotą są procesy indukowane światłem. Ta dynamicznie rozwijająca się dziedzina chemii organicznej pozwala na otrzymywanie produktów często złożonych strukturalnie, w tym wielu związków naturalnych i o znaczeniu biologicznym.

Mistrzowska równowaga zachowywana w Naturze spowodowała, że jako naukowcy zaczęliśmy postrzegać chemię i biologię jako nauki komplementarne. Zastanawialiśmy się, czy możliwe byłoby przeprowadzanie reakcji chemicznych nie tylko w szkle laboratoryjnym, ale i wewnątrz organizmów żywych. Nieustanne dążenie do zrozumienia złożoności procesów biologicznych dało początek nowej strategii biochemicznej – chemii bioortogonalnej. Jej istotą jest projektowanie transformacji chemicznych, które mogłyby być przeprowadzane w żyjących organizmach, przy jednoczesnym braku ingerencji w procesy naturalne zachodzące w komórkach. Te wyrafinowane podejście dało się już poznać jako narzędzie służące do specyficznego znakowania i sprzęgania biocząsteczek wewnątrz organizmów żywych. Jednak to dopiero zastosowanie foto-modulacji systemów biologicznych zapewniło czasoprzestrzenną kontrolę nad biocząsteczkami. Połączenie tych dwóch podejść doprowadziło do ukształtowania kontrolowanej fotochemicznie chemii bioortogonalnej. Mimo, iż idea ta jest szeroko ceniona przez biologów, projektowanie reakcji neutralnych dla delikatnych struktur komórek wciąż pozostaje wyzwaniem współczesnych chemików.

Opracowanie reakcji kompatybilnych z warunkami fizjologicznymi nie jest jedyną trudnością do pokonania. Większość zaprojektowanych do tej pory reakcji fotochemicznych wymaga zastosowania światła UV bądź wysokoenergetycznego światła widzialnego. Jednak to światło o niskiej energii – czerwone a nawet podczerwone – jest bardziej dogodne do stosowania in vivo i pozwala na penetrację głębszych tkanek. Niestety, do tej pory opracowano jeszcze niewiele procedur syntetycznych przebiegających pod wpływem tak niskoenergetycznego promieniowania. Wciąż nie opracowano warunków pozwalających na znakowanie biomolekuł z zastosowaniem światła czerwonego.

Celem projektu jest zatem zaprojektowanie zestawu reakcji chemicznych indukowanych światłem czerwonym. Najbardziej istotne zadanie stanowić będzie zastosowanie opracowanych transformacji do modyfikacji biocząsteczek w systemach biologicznych (Schemat 1).


Scheme 1. The ultimate goal of the proposal.

Nasze eksperymenty wstępne udowadniają, że możliwe jest tworzenie wiązań C-C oraz C-N pod wpływem światła czerwonego. Bazując na wieloletnim doświadczeniu w fotokatalizie, w projektowanych transformacjach proponujemy wykorzystanie właściwości fotokatalitycznych porfirynoidów. W kolejnych etapach projektu przewidujemy testowanie kompatybilności opracowanych metod z funkcjonalizacją aktywnych biologicznie cząsteczek w warunkach fizjologicznych. Nasze badania z pewnością stworzą nowe perspektywy dla strategii fotokatalitycznych oraz będą stanowić istotny wkład w przyszły rozwój biologii i medycyny.