In onze wereld vinden we het heel gewoon dat we een apparaat aan en uit kunnen zetten. Ook op moleculair niveau is behoefte aan zo’n aan/uit knop. Wetenschappers zijn daarvoor vooral op zoek naar moleculen die met licht zijn te schakelen. Die maken het bijvoorbeeld mogelijk om niet-invasief en heel lokaal een medicijn te activeren, precies waar en wanneer dat nodig is. Bestaande moleculaire schakelaar zijn echter verre van ideaal: ze werken op basis van gevaarlijk ultraviolet licht in plaats van onschadelijk zichtbaar licht en zijn dus niet geschikt voor medische toepassingen. Verder zijn ze  nog niet éénduidig van de ene vorm naar de andere vorm te schakelen, en vaak werken ze niet in de fysiologische omgeving van het menselijk lichaam.

HIMS onderzoek bevestigt succes van 'moleculair kruisen'

Veel moleculaire schakelaars zijn gebaseerd op chemische thio-indigo en azobenzeen groepen, en vertonen inderdaad de hierboven genoemde nadelen. Op zoek naar verbeteringen realiseerde dr. Wiktor Szymanski van het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMCG) zich dat een 'fusie' van deze twee soorten chemische verbindingen ook als een moleculaire schakelaar moest kunnen werken. Hij verwachtte dat – vergelijkbaar met het kruisen van biologische soorten – het nieuwe iminothio-indoxyl (ITI) molecuul betere eigenschappen zou hebben dan de moleculaire 'ouders'. De eerste resultaten waren echter zeer teleurstellend. 'We zagen geen enkele verandering in het absorptiespectrum toen we het molecuul met licht bestraalden', zegt Mark Hoorens, de UMCG-promovendus die het nieuwe molecuul synthetiseerde en probeerde te schakelen. 'Het leek alsof er niets gebeurde. We lieten de verbinding voor wat hij was en gingen verder met ander onderzoek.’

Er kwam weer schot in de zaak toen de Groningse onderzoekers in gesprek raakten met Michiel Hilbers en Wybren Jan Buma van de HIMS onderzoeksgroep Molecular Photonics, tijdens het International Symposium on Photopharmacology in 2017 in Groningen. Het leek de moeite waard om het ITI onderzoek te herhalen met de apparatuur van de UvA, die een betere tijdsresolutie heeft.

Dit leverde inderdaad verrassend resultaat op; Hoorens and Hilbers geloofden in eerste instantie hun ogen niet. ‘We zagen een geheel afzonderlijke absorptieband, 100 nanometer hoger dan de stabiele absorptieband van ITI. Met een levensduur van 10 tot 20 milliseconden', zegt Hilbers. 'Eerst dachten we zelfs dat er sprake was van een verontreiniging in het monster.'

Niets was minder waar. De nieuwe experimenten hadden het succes van Szymanski's concept van moleculair kruisen bevestigd. Een van de 'ouders' absorbeert in het UV-gebied en vertoont goede bandscheiding, terwijl de ander wel in het gebied van zichtbaar licht absorbeert maar geen goede bandscheiding heeft. De nieuwe schakelaar combineert het beste van beide werelden, wat een lichtgedreven schakelaar oplevert met nog niet eerder vertoonde eigenschappen. 

Aanvullende bevestiging

Vervolgexperimenten bevestigden dat ITI inderdaad de ‘all-visible-light’-switch is waar de onderzoekers naar zochten. Experimenten op een tijdschaal van femto- en picoseconden, uitgevoerd in de laboratoria van dr. Mariangela Di Donato van het European Laboratory of Non-Linear Spectroscopy in Florence, brachten verdere mechanistische details aan het licht. ‘Uit deze onderzoeken bleek duidelijk dat ITI schakelt op een supersnelle tijdschaal van een paar honderd femtoseconden', legt Di Donato. 'Dat is vergelijkbaar met de snelheid waarmee het visuele pigment in onze ogen schakelt als er licht op valt.'

De uiteindelijke bevestiging werd geleverd door quantumchemische berekeningen, uitgevoerd door dr. Adèle Laurent (Universiteit van Nantes) en dr. Miroslav Medved’ (Palacky universiteit in Olomouc). Deze berekeningen voorspelden absorptiemaxima van de twee fotoisomeren die heel erg dicht bij de maxima lagen die tijdens de experimenten werden waargenomen, maar ook dat er een belemmering was voor het terugswitchen naar de originele vorm die heel goed overeenkwam met de waargenomen levensduur. ‘We snapten in eerste instantie deze enorme 100 nm bandscheiding niet zo goed’, geven Laurent en Medved’ toe, ‘maar onze berekeningen geven nu een logische verklaring. Maar ze stellen ons vooral in staat om te voorspellen hoe ITI gemodificeerd kan worden om aan specifieke eisen van gebruikers te voldoen.’

ITI: een enorm veelzijdige schakelaar

Mark Hoorens heeft inmiddels verschillende varianten gesynthetiseerd die verder ontwikkeld zijn in Amsterdam, Florence, Nantes en Olomouc. Deze onderzoeken maken duidelijk dat ITI een ontzettend veelzijdige switch is die kan functioneren onder een groot aantal experimentele omstandigheden, waaronder – heel belangrijk – biologische condities, en die eigenschappen heeft die relatief gemakkelijk zijn in te stellen . 

Publicatie details

Mark W.H. Hoorens, Miroslav Medved', Adèle D. Laurent, Mariangela Di Donato, Samuele Fanetti, Laura Slappendel, Michiel Hilbers, Ben L. Feringa, Wybren Jan Buma & Wiktor Szymanski: Iminothioindoxyl as a molecular photoswitch with 100 nm band separation in the visible range Nature Communications 10, Article number: 2390 (2019); DOI 10.1038/s41467-019-10251-8