Ciekawość, w jaki sposób cząsteczki natury można przekształcić w przydatne narzędzia, skłoniła naukowców do opracowania nowych „inteligentnych” materiałów wykonanych z szynka alkaloidy — rodzina związków roślinnych, niegdyś cenionych w leczeniu malarii i chorób serca. Te maleńkie materiały zachowują się prawie jak komputery chemiczne, świecąc lub zmieniając kolor, ujawniając obecność określonych substancji.

Badania przeprowadzili Nicola’ Agius i profesor David Magri z Uniwersytetu Maltańskiego oraz Catherine Ashton i dr Helen Willcock z Uniwersytetu w Loughborough. Ich praca została opublikowana w czasopiśmie Postępy RSCpokazuje, jak cząsteczki inspirowane naturą można przeprojektować w inteligentne materiały zdolne do wykrywania minerałów niezbędnych dla zdrowia ludzkiego.

Profesor Magri powiedział, że zespół „zademonstrował fluorescencyjne polimery na bazie produktów naturalnych jako inteligentne materiały pozyskiwane w sposób zrównoważony”, podkreślając swój cel, jakim jest stworzenie technologii wykrywania, które są skuteczne, a jednocześnie przyjazne dla środowiska.

Zespół profesora Magri połączył szynka alkaloidy — chinidyna, chinina, cynchonina i cynchonidyna — z wodokompatybilną substancją chemiczną, akrylamidem, w celu utworzenia czterech nowych polimerów. Każdy polimer jest niewyobrażalnie mały, tysiące razy cieńszy od ludzkiego włosa, a mimo to świeci żywą niebieską poświatą w świetle ultrafioletowym – rodzaju niewidzialnego promieniowania, które sprawia, że ​​substancje fluorescencyjne są widoczne dla ludzi. Ten blask pokazuje, że naturalny blask alkaloidów zostaje zachowany nawet po wpleceniu ich w długi łańcuch polimerowy – strukturę zbudowaną poprzez połączenie wielu małych cząsteczek w sekwencję.

Podczas testów laboratoryjnych polimery zachowywały się jak maleńkie obwody logiczne. Zapalały się w warunkach kwaśnych, ale ściemniały po dodaniu soli, takich jak chlorek, bromek lub jodek. Kiedy w wodzie występowały razem zarówno kwas, jak i jodek, substancja zmieniała kolor z bezbarwnego na żółty, skutecznie wykonując operację „AND” — termin logiczny zapożyczony z obliczeń, który oznacza, że ​​oba warunki muszą zostać spełnione, aby uzyskać wynik. Ta widoczna transformacja sprawia, że ​​wykrywanie jodku jest tak proste, jak obserwowanie zmiany koloru cieczy.

Profesor Magri wyjaśnił, że jodek jest minerałem niezbędnym dla zdrowia człowieka, pomagającym zapobiegać chorobom tarczycy, takim jak wole. „Rządowe departamenty zdrowia mogą uznać tę technologię za przydatną do zapewnienia, że ​​producenci żywności i napojów przestrzegają rygorystycznych wytycznych dotyczących zawartości jodku w wodzie pitnej i środkach spożywczych” – stwierdził.

Zespół odkrył, że zmiana koloru wynika z delikatnego przyciągania elektrycznego zwanego interakcją pi–anion. Mówiąc prościej, jest to słabe, ale ważne przyciąganie pomiędzy ujemnie naładowanymi jonami jodku i dodatnio naładowanymi obszarami w polimerze. To delikatne pociągnięcie zmienia sposób, w jaki elektrony poruszają się wewnątrz makrocząsteczki, powodując, że absorbuje ona i odbija światło w inny sposób – które nasze oczy postrzegają jako żółte.

Co ciekawe, szynkaPolimery na ich bazie okazały się bardziej responsywne niż ich prostsze, jednocząsteczkowe wersje. Wykryli jodek nawet w śladowych ilościach i zrobili to szybko. Dzieje się tak, ponieważ naładowane środowisko polimeru wzmacnia te subtelne efekty elektryczne, dzięki czemu reakcja chemiczna zostaje wzmocniona i łatwiejsza do obserwacji.

Co równie ważne, naukowcy potwierdzili, że jasność polimerów chinidyny i chininy była tak samo intensywna jak jasność oryginalnych naturalnych cząsteczek. Innymi słowy, przekształcenie ich w polimery nie przyćmiło ich blasku. Charakterystyczna niebieska fluorescencja chininy – od dawna używana jako punkt odniesienia w fotochemii do pomiaru emisji światła – w tych nowych materiałach pozostaje równie jasna, jak w naturze.

Poza laboratorium ta praca wskazuje na szerszą koncepcję: chemię można wykorzystać do naśladowania logiki podejmowania decyzji w komputerach. Koncepcja ta, znana jako logika molekularna, wykorzystuje zmiany światła lub koloru do sygnalizowania wyniku, podobnie jak elektronika cyfrowa używa jedynek i zer. Przekształcając proste dane wejściowe chemiczne, takie jak kwasowość lub stężenie soli, w widoczne kolory, te inteligentne materiały mogą stanowić podstawę przyszłych czujników do testów medycznych, monitorowania środowiska, a nawet systemów obliczeniowych w skali molekularnej.

Patrząc w przyszłość, Magri i jego zespół mają nadzieję pogłębić wiedzę na temat tego, w jaki sposób te interakcje molekularne dają tak wyraźne efekty wizualne. Planują także zastosować to samo podejście do wykrywania innych jonów ważnych biologicznie lub środowiskowo. „Obecnie trwają badania mające na celu lepsze zrozumienie tej interakcji supramolekularnej” – wyjaśnili naukowcy, odnosząc się do sposobu, w jaki cząsteczki organizują się i komunikują bez tworzenia bezpośrednich wiązań chemicznych. Ich ciągła praca odzwierciedla rosnący ruch w chemii w kierunku inteligentnych, zrównoważonych materiałów, które uczą się od natury, a jednocześnie służą współczesnym potrzebom.

Odniesienie do czasopisma

Agius, Nicola”; Ashton, Katarzyna J.; Willcock, Helena; i Magri, David C. „Kopolimery alkaloidów chinowych jako fluorymetryczne INHIBIT i kolorymetryczne bramki logiczne AND do wykrywania jodku”. Zaliczki RSC, 2025. DOI: https://doi.org/10.1039/d5ra01281c

O Autorach

Mikołaj Agiusz ukończyła studia licencjackie i magisterskie z chemii poprzez badania u prof. Davida C. Magriego, badając fluorescencyjne polimerowe bramki logiczne na bazie naturalnych produktów. Posiada doświadczenie w branży zdobyte dzięki stażom w Trelleborg Sealing Solutions i Smart Materials Ltd., start-upie zajmującym się pianką auksetyczną. Dołączyła do Grupy Calvino jako stażystka badająca responsywne sieci polimerowe jako odwracalne, inteligentne materiały o podwójnym bodźcu. Jej osiągnięcia naukowe obejmują Nagrodę Dziekana za wyróżnienie magisterskie, Nagrodę Medichem w dziedzinie chemii organicznej oraz Nagrodę Torrent w dziedzinie chemii analitycznej. Nicola’ rozpoczyna doktorat z metamateriałów na Uniwersytecie Maltańskim, opracowując polimery zmieniające kształt.

Doktor Caty Ashton jest starszym technikiem ds. badań biochemicznych w Lancaster Environment Centre na Uniwersytecie w Lancaster. Ukończyła studia magisterskie z chemii na Uniwersytecie w Lancaster oraz doktorat z chemii i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Loughborough. Jej doktorat skupiał się na opracowywaniu makrocząsteczkowych środków do rezonansu magnetycznego i obrazowania optycznego. Po zmianie dyscypliny Caty pracuje obecnie w dziale biochemii, analizując białka i enzymy kluczowe w mechanizmie fotosyntezy, aby przyczynić się do zwiększenia produktywności upraw wspięgi i soi oraz zwiększenia ich odporności na klimat.

Heleny Willcock jest starszym wykładowcą w dziedzinie materiałów na Uniwersytecie w Loughborough, kierując zróżnicowaną i multidyscyplinarną grupą skupiającą się na kontroli właściwości polimerów poprzez dostrajanie architektury i funkcjonalności. Badania Helen skupiają się na rozwoju cząstek polimerowych i nanokompozytów, szczególnie do zastosowań w wykrywaniu i obrazowaniu. Posiada szerokie doświadczenie w pracy z przemysłem i była częścią zespołu, który zdobył nagrodę RSC Industry-Academia Collaboration Award w 2018 roku. Jest przewodniczącą Macro Group UK – Royal Society of Chemistry (RSC) & Society of Chemical Industry (SCI) Pure and Applied Macromolecular Chemistry Group.

Dawid Magri jest profesorem na Uniwersytecie Maltańskim, kierującym zespołem badawczym opracowującym inteligentne cząsteczki i materiały oparte na logice. Uzyskał tytuł licencjata z wyróżnieniem (4 lata) i doktorat na Western University w Londynie, Ontario, Kanada i był pracownikiem naukowym podoktorskim na Queen’s University w Belfaście w Irlandii Północnej pod kierunkiem prof. AP de Silvy. Po czterech latach nauczania w Kanadzie na Uniwersytecie Wyspy Księcia Edwarda, Uniwersytecie Ontario Tech i Uniwersytecie Acadia, udał się na położony na Morzu Śródziemnym archipelag Republiki Malty. Jest dwukrotnym laureatem Malta Science Innovation Award. O 8^t Międzynarodowa konferencja na temat czujników molekularnych i bramek logiki molekularnej w Szanghaju w Chinach w październiku 2025 r. Był laureatem nagrody Czarnik Emerging Investigator Award.