Licht laat moleculaire motor draaien en oplichten

Roterende moleculaire motoren zijn voor het eerst gemaakt in het laboratorium van Ben Feringa, hoogleraar Organische Chemie aan de RUG, in 1999. De aandrijving loopt via licht. Om verschillende redenen zou het mooi zijn wanneer de motormoleculen ook zichtbaar zijn, en de beste manier om dat te doen is via fluorescentie. Maar om twee door licht aangestuurde processen te combineren in één molecuul is nogal een uitdaging. Het Feringa lab is daar nu in geslaagd, en ook nog eens op twee verschillende manieren. De twee soorten fluorescerende, door licht aangedreven motoren zijn beschreven in Nature Communications (30 september) en Science Advances (4 november).

‘Nadat we met succes moleculaire motoren hebben ontworpen was een belangrijk nieuw doel om verschillende functies te combineren in zo’n motormolecuul’, vertelt Feringa, die in 2016 de Nobelprijs voor Scheikunde ontving. ‘Omdat de rotatie door licht wordt aangedreven is het nogal een uitdaging om een ontwerp te maken met een tweede functie die afhankelijk is van lichtenergie, naast de rotatie.’

Kleurstof

Feringa en zijn team waren vooral geïnteresseerd in fluorescentie, aangezien dit een belangrijke techniek is om moleculen te detecteren, bijvoorbeeld in biomedische beeldvorming. Maar doorgaans zijn twee fotochemische functies niet te combineren in één molecuul: of de licht-aangedreven motor werkt, maar er is geen fluorescentie, of er is fluorescentie maar de motor draait niet meer. Feringa: ‘We hebben nu aangetoond dat beide functies naast elkaar in hetzelfde moleculaire systeem kunnen werken, wat echt uniek is.’

Ryojun Toyoda, destijds postdoc in het lab van Feringa en nu hoogleraar aan de Tohoku University in Japan, koppelde een fluorescerende kleurstof aan een klassiek Feringa-motormolecuul. ‘De kunst was om te voorkomen dat die twee functies elkaar blokkeereden’, vertelt Toyoda. Hij slaagde erin de directe interactie tussen kleurstof en motor te dempen. Dat deed hij door het kleurstofmolecuul loodrecht te plaatsen op het bovenste deel van de motor. ‘Dit beperkt de uitwisseling van energie’, legt Toyoda uit.

Toepassingen

Op deze manier zijn fluorescentie en rotatie samen te brengen in een molecuul. Bovendien blijkt het mogelijk om door het oplosmiddel aan te passen dit systeem af te stellen: ‘Door de polariteit van dat oplosmiddel te veranderen krijg je een andere balans tussen beide functies’. Dit betekent dat de motor gevoelig is voor zijn omgeving, wat interessant kan zijn voor toekomstige toepassingen.

Oplichten

Mede-auteur Shirin Faraji, hoogleaar Theoretische Chemie aan de RUG, heeft meegeholpen om te begrijpen wat er gebeurt. Een postdoc in haar groep, Kiana Moghaddam, deed uitgebreide kwantummechanische berekeningen en liet daarmee zien hoe de energie die de door licht aangedreven dynamiek bestuurt sterk afhangt van de polariteit van het oplosmiddel.

Dit fluorescerende motormolecuul heeft nog een nuttige eigenschap, het is namelijk mogelijk verschillende kleurstoffen te koppelen aan de motor, zo lang ze een vergelijkbare structuur hebben. ‘Dus het is relatief eenvoudig om motoren te maken die in verschillende kleuren oplichten’, aldus Toyoda.

Antenne

Een tweede type fluorescerende motor is gemaakt door Lukas Pfeiffer, in zijn tijd als postdoc bij de groep van Feringa. Hij werkt inmiddels aan de École Polytechnique Fédérale in Lausanne, Zwitserland: ‘Mijn oplossing voor het probleem was gebaseerd op een motormolecuul dat ik al eerder had gemaakt, dat wordt aangedreven door twee nabij-infrarode fotonen met lage energie.’ Aandrijving van motoren met nabij-infrarood licht is handig in biologische systemen, want dit licht dringt dieper door in weefsels en is minder schadelijk dan ultraviolet licht.

‘Ik koppelde hiervoor een antenne aan het motormolecuul die de energie van de twee infrarode fotonen opving en doorgaf aan de motor. Terwijl we hiermee bezig waren ontdekten we dat we met wat kleine aanpassingen de antenne ook konden doen fluoresceren’, vertelt Pfeiffer. Het bleek dat dit molecuul twee verschillende aangeslagen toestanden kan hebben: in de ene toestand gaat de energie naar het motordeel en zorgt voor rotatie, de andere toestand veroorzaakt fluorescentie.

Golffunctie

‘In dit tweede motormolecuul licht het hele molecuul op’, legt RUG-hoogleraar Maxim Pshenichnikov uit. Hij maakte een spectroscopische analyse van beide typen fluorescerende motormoleculen en is co-auteur van beide artikelen. ‘Deze tweede motor is één chemische entiteit waarin de golffunctie niet is gelokaliseerd maar over het hele molecuul uitgesmeerd is, waardoor deze twee verschillende effecten kan hebben. Door de golflengte van het licht aan te passen, en daarmee de energie die het molecuul ontvangt, krijg je ofwel rotatie, ofwel fluorescentie.’ Faraji voegt hieraan toe: ‘Onze gecombineerde ‘in principe’ en ‘in de praktijk’ aanpak laat zien hoe belangrijk de wisselwerking theoretische en experimentele benadering is. Het laat zien dat de combinatie ervan zeer krachtig is.’

Nu het team erin geslaagd is rotatie en fluorescentie te combineren in één molecuul is de volgende stap om de beweeglijkheid en de locatie van de moleculen tegelijkertijd aan te tonen via fluorescentie. Feringa: ‘Dit is een krachtige combinatie die we kunnen toepassen om te laten zien hoe deze motoren bijvoorbeeld door een celmembraan een cel binnengaan, aangezien fluorescentie veel gebruikt wordt om moleculen binnen een cel zichtbaar te maken. We kunnen het ook gebruiken om de beweging te volgen die door licht-aangedreven moleculaire motoren veroorzaken, bijvoorbeeld de voortbeweging op nanoschaal, of misschien transport door motormoleculen zichbaar te maken. Maar dat moet allemaal blijken uit vervolgonderzoek.’

Referenties:

Ryojun Toyoda, Nong V. Hoang, Kiana Gholamjani Moghaddam, Stefano Crespi, Daisy R. S. Pooler, Shirin Faraji, Maxim S. Pshenichnikov and Ben L. Feringa: Synergistic interplay between photoisomerization and photoluminescence in a light-driven rotary molecular motor. Nature Communications, 30 September 2022.

Lukas Pfeifer, Nong V. Hoang, Stefano Crespi, Maxim S. Pshenichnikov and Ben L. Feringa: Dual-function artificial molecular motors performing rotation and photoluminescence. Science Advances 4 November 2022.