Sdílet
22. ledna 2024
Brazilský vědec Dr. Vinicius Santana, člen výzkumné skupiny Magnetooptická a THz spektroskopie na CEITEC VUT, spojil své síly s biology a chemiky, aby odhalil tajemství mechanismu bioluminiscence. Jejich pozoruhodné výsledky byly zveřejněny ve významné studii v prestižním časopise Nature Catalysis. Revoluční technika elektronová paramagnetická rezonance (EPR) sehrála klíčovou roli v pochopení katalytických reakcí s potenciálem pro ekologické technologie. Vedoucí výzkumné skupiny doc. Petr Neugebauer zdůrazňuje oddanost neustálému rozvoji a inovacím v metodologiích a technikách EPR. Rád by také do oboru, ve kterém vidí obrovský potenciál, přilákal více studentů a pracovníků. Mohou se stát třeba členy nové výzkumné skupiny, kterou povede Vinicius Santana. Na její založení získal prestižní grant JUNIOR STAR 2024.
Jak si můžeme představit princip EPR spektroskopie?
Petr Neugebauer: Klíčovou roli sehrávají elektrony. Atomové struktury můžeme přirovnat ke sluneční soustavě, kde jádro představuje Slunce a elektrony jsou jako planety. Konstelace planet se liší v závislosti na tom, o který atom jde. Podobně jako v různých slunečních soustavách i v interakcích mezi atomy sehrává chování elektronů klíčovou roli při chemických reakcích a formování vazeb. V oblasti EPR spektroskopie využíváme magnetické pole a mikrovlnné/radiofrekvenční záření k excitaci těchto elektronů a k hlubšímu pochopení jejich okolí. V mnoha chemických reakcích dochází k rychlému přeskupení elektronů, a proto musíme využívat různé triky, jako například měření EPR se spinovou pastí, abychom byli schopni tyto procesy zachytit. Tato schopnost je klíčová pro porozumění komplexních mechanismů, zejména v oblasti katalytického výzkumu, kde se otevírají široké možnosti pro budoucí aplikace.
Vinicius Santana: Odborně se tomu říká přenos náboje. Při této reakci dochází k přechodu elektronu z jednoho druhu na jiný druh a ke změně chemických vazeb uvnitř různých činidel nebo mezi nimi. Není mnoho technik, které by dokázaly tyto rychlé reakce sledovat a přímo ukázat, jak probíhají. EPR nám umožňuje zachytit tento elektron do stabilnějšího druhu a následně pozorovat jeho chování. Tímto způsobem můžeme lépe porozumět skutečnému mechanismu přenosu náboje. Díky této znalosti je pak možné navrhnout nové a vylepšené systémy, což se nám v tomto případě podařilo.
Znamená to, že chcete tuto techniku EPR propagovat v dalších katalytických výzkumech?
PN: Ano, momentálně v této oblasti budujeme síť odborníků. Cílem je propagace techniky EPR ve výzkumech s ohledem na ekologické technologie. Katalýza, která spočívá v redukci energie pro získání produktu, sehrává klíčovou roli. V porovnání s jinými metodami, jež vyžadují vysoké teploty a energetickou spotřebu, nabízí katalýza jednodušší a energeticky efektivnější přístup k dosažení konečného produktu, což v důsledku vede k nižším nákladům.
Pojďme k článku. Předpokládám, že vás biologové oslovili ke spolupráci?
VS: Velké studie většinou jsou většinou výsledkem spolupráce mnoha odborníků. Pro sestavení této komplexní skládačky bylo nezbytné využít různorodé odborné znalosti. I když měli kolegové téměř vše připraveno, chyběl jim klíčový mechanismus v jedné části reakce, který by vysvětlil její fungování. Proto se rozhodli využít EPR spektroskopii k objasnění této specifické části chemické reakce. Provedli jsme potřebná měření a pomohli jim tuto záhadu rozluštit. Prakticky jsme tam dosadili poslední díl skládačky.
Chtěli porozumět konkrétnímu katalytickému mechanismu – bioluminiscenci, můžete nám k tomu říct více?
VS: Určitě. V přírodě hrají enzymatické reakce klíčovou roli. Enzymy, působící jako katalyzátory, urychlují chemické reakce. Představte si to jako nějaký zámek a do něj zapadající klíč. Substrát, podobně jako klíč, představuje unikátní molekulu, která zapadá do enzymového „zámku“, kde dochází ke katalýze reakce. Podobně jako určitý klíč zapadá do určitého zámku, může se jen určitá molekula substrátu navázat na určitý enzym. Konkrétně použili substrát zvaný koelenterazin, který se váže na luciferázu, enzym zodpovědný za zrychlení chemické reakce přenosem náboje. Když tato reakce probíhá, vytvoří se excitovaný stav, který následně vydává světlo při specifické vlnové délce. Barva světla je určena energií tohoto excitovaného stavu.
Nejenže tento enzym studovali, ale také vytvořili jeho různé verze odvozené od korálového druhu Renilla. Vytvořili prastarou verzi enzymu, která se vyznačuje stabilitou a snadnou krystalizací. To jim umožnilo objasnit kompletní strukturu a pozorovat, jak substrát, fungující jako klíč, plynule vstupuje do enzymu, který funguje jako zámek, a katalyzuje rychlou reakci. Takže když do roztoku s enzymem kápnete substrát, okamžitě vidíte, jak velmi krásně září. To znamená, že reakce probíhá, probíhá velmi rychle a efektivně. Ale tento substrát sám také prochází touto luminiscenční reakcí. Když prochází sám, říká se tomu chemiluminiscence. A ta, při níž přechází do enzymu, se nazývá bioluminiscence.
Takže jste kvůli rychlosti reakci nemohli zachytit?
Přesně tak. Je opravdu těžké dostat se dovnitř a zjistit, co se děje. A protože tento přenos náboje je velmi rychlý, neexistuje způsob, jak tam umístit reportér, což je ta molekula, která zachytí elektron a pomocí EPR nám řekne, co se s reakcí děje. Takže to není úplně jednoduché, nebo možná ani možné. Zkoušeli jsme to, ale nedočkali jsme se žádného výsledku. Co jsme museli použít, byl chemiluminiscenční efekt, což je normální reakce bez urychlení enzymem. Takže jsme sledovali tuto molekulu, když je luminiscenční, ale v pomalém režim. A při této pomalejší reakci jsme mohli použít reportér k získání tohoto elektronu a k tomu, aby nám řekl, jak tato chemická reakce probíhá.
Mohl byste popsat svůj podíl na této práci?
Náš cíl byl přesně určit, zda reakce probíhá prostřednictvím radikálového mechanismu a v případě potvrzení identifikovat chemické druhy vytvořené v průběhu této reakce. Museli jsme testovat různé koncentrace každé složky a produktu v reakci, s cílem dosáhnout optimálního výtěžku radikálů (chemických druhů s nepárovými elektrony), které můžeme zachytit a následně pozorovat pomocí EPR. Abyste si to dovedli představit, získaná spektra původně nebyla intenzivní, signál na spektrometru byl relativně slabý. Tudíž jsme museli zaznamenat a akumulovat několik po sobě jdoucích spekter (v tomto případě 36krát), abychom mohli extrahovat signál z šumu a mohli ho efektivně popsat. Jakmile jsme měli signál, další výzvou byla analýza. Museli jsme tento signál přizpůsobit a simulovat na základě potenciální chemické struktury očekávaných radikálů. Tento proces nám umožňuje rozluštit informace zakódované v signálu, jako jsou podrobnosti o radikálu vytvořeném v této konkrétní reakci.
Jak časově náročné to bylo?
No... Zkoušeli jsme různé typy reportérů a různé typy reakcí a koncentrací, dokud jsme nezískali ideální podmínky pro pozorování chemiluminiscence a získání změn EPR signálu. Tato komplexní analýza, včetně fitování a simulace, obvykle trvá asi něco přes týden. Po ní následuje fáze diskuse, která je poměrně rozsáhlá. Přestože jsme měřili v době, kdy již bylo známo mnoho aspektů, trvalo to přibližně rok od počátečního měření do zveřejnění výsledků.
Článek má velmi dobré ohlasy. Co na to říkáte?
Je to opravdu pěkné. Byla to úžasná spolupráce. A jsem velmi rád, že jsem mohl kolegům pomoci odpovědět na jejich otázky.
Můžete vysvětlit jeho přínos?
Vědci se snažili vysvětlit proces této konkrétní bioluminiscenční reakce již 40 let, ale bez úspěchu. Vedoucím výzkumníkům této studie se to podařilo a my jsme rádi, že jsme součástí spolupráce, která ji odhalila. A otevírá se tak možnost využití těchto poznatků k nahrazení běžných žárovek. Nové možnosti osvětlení by byly udržitelné, energeticky úsporné a šetrné k životnímu prostředí. K tomu je však ještě dlouhá cesta.
Jak těžké je komunikovat s odborníky z jiných oborů a společně „vytvořit“ studii? Když pro spolupracovníky provádíte měření, jsou jim informace jasné a dovedou měření efektivně interpretovat?
VS: Fyzikální chemií se zabývám snad od magisterského studia. Takže chemii trochu rozumím. Pak dokážu, ne konkrétní části toho, co mi říkají, ale dokážu pochopit, co potřebují. A pak jim můžu říct, podívejte se, pokud máte takovou reakci, takhle vám můžeme pomoci. Můžeme použít tento reportér, tyto pasti a provést měření. A pak jim navrhnu na co se zaměřit, jakou past použít, a oni pak pokračují v provádění všech těchto detailů, které jsem jim řekl. Nedovedou si představit, co moje simulace znamenají, protože EPR je velmi specifická technika. Takže každý napíšeme výsledky a pak je společně prodiskutujeme.
PN: Samotné měření na spektrometru netrvá dlouho, ale pochopit, co se ve spektrech děje, správně je napasovat a zajistit, aby vše odpovídalo, může být velmi časově náročné. Může to trvat do nekonečna. Mám nějaká data, kterým dodnes nikdo nerozumí. Jsou zkrátka příliš složitá.
Pronásledují vás tyto nedokončené věci?
PN: Ne, ne. To je něco, co by se člověk měl naučit – netrápit se tím. Elektronová paramagnetická rezonance (EPR) odkrývá podmanivou stránku našeho světa. Odhaluje složitosti přírody, ukazuje její krásu a fascinující samoskladné procesy. Složitost těchto struktur říká především, kolik toho zůstává nepoznaného. Klíčové reakce s elektrony, ačkoli jsou zásadní, poukazují na to, jak jsme dnes jejich v chápání omezení. Existuje obava, že příliš hluboké ponoření do těchto procesů bez jejich úplného pochopení by mohlo představovat riziko, jež by mohlo vést k sebezničení.
Viniciusi, na čem teď pracujete?
Spolupracuji s kolegy z Brazílie, Argentiny, Itálie, Slovenska a samozřejmě také z České republiky. Mým hlavním zaměřením je měření a analýza EPR dat v různých frekvenčních pásmech, což mi umožňuje řešit širokou škálu problémů. Pracuji na vysvětlování reakčních mechanismů, popisu defektů v oxidech, identifikaci dopantů a charakterizaci vnitřních magnetických vlastností molekulárních magnetických materiálů.
Nedávno jsem podal projekt do GAČR JUNIOR STAR, který byl nedávno schválen k financování. Od ledna 2024 budu vést tým, který se bude zaměřovat na studium nově syntetizovaných molekulárních krystalů. Spolu s týmem budeme zkoumat vnitromolekulární a mezimolekulární magnetické interakce a jejich korelace se strukturou těchto sloučenin. Využijeme orientaci vnějšího magnetického pole k pozorování exotických jevů, jako jsou kvantové fázové přechody a zapletení v těchto materiálech. Dlouhodobým cílem našich studií je vytvořit a charakterizovat nové molekuly, které by mohly najít uplatnění jako kvantové bity (qubity), což jsou základní jednotky kvantového počítače.
Fotogalerie
Autor/ka
