Fotoswitchning av molekylära egenskaper baserade på fotokroma reaktioner

Forskningsprojekt, 2011 – 2016

Fotokroma molekyler kan isomeriseras mellan två, mer eller mindre, termiskt stabila former m.h.a. ljus. Dessa två formers absorptionsspektrum skiljer sig oftast åt markant. Av ögat uppfattas detta som att fotokromen ändrar färg då den exponeras av ljus. Ett välkänt exempel på detta är s.k. fotokroma glasögon som blir mörka av solens UV-ljus, men ofärgade i normalt inomhusljus. Utöver detta så genomgår fotokromerna många andra förändringar då de isomeriseras. Egenskaper som elektriskt dipolmoment, redoxenergier, polaritet, och sist men inte minst molekylens struktur ändras signifikant då den ena formen övergår i den andra. Dessa förändringar kan användas till att kontrollera en mängd fysikaliska, kemiska och biologiska processer vars "hastighet" beror på de ovan nämnda egenskaperna hos fotokromen. Ofta är skillnaden i hastighet så stor att processerna kan switchas på ett binärt sätt i termer av 0 eller 1, dvs "av" eller "på". Elektron- och energiöverföring i molekylära system är två processer där fotokromer ofta använts för att åstadkomma ovan nämnda switchning. Inom ramarna för detta projekt så kommer fotokroma molekyler designas och syntetiseras för fundamentala studier av dessa processer. Andra system har designats för mer tillämpade studier. Bland dessa kan nämnas en fotokrom dimer där energiöverföringseffektiviteten kommer att varieras för att ändra färgen på det emitterade ljuset över ett brett våglängdsområde, och vi kommer att lägga stor vikt vid vitljusgenerering. Dessutom kommer det att undersökas om fotokromer och DNA-strängar kan användas till att konstruera en slags optisk fiber där den optiska ledningsförmågan kan switchas av och på, genom ljusinducerad kontroll av energiöverföringshastigheten. DNA kommer även att vara måltavlan för den andra delen av det föreslagna projektet. Det ultimata målet är att designa fotokroma molekyler som kan fungera som ljusaktiverade cellgifter. Bakgrunden till detta är att många av de existerande cellgifter som används vid tumörsjukdomar fungerar genom att binda mycket hårt till DNA-molekylen och därigenom hindra avläsning och kopiering av den genetiska koden. Eftersom DNA-molekylerna i cancerceller till största delen är identiska med de i normala celler är biverkningarna ofta många och svåra, eftersom också de friska cellerna drabbas hårt. Vi undersöker möjligheten att konstruera fotokromer som i den ena formen inte binder till DNA och därför är ogiftiga för cellen, men som i intensivt ljus isomeriseras till den andra formen som binder starkt till DNA. Tumörer som på olika sätt är åtkomliga för belysning skulle därmed kunna slås ut med större selektivitet och mindre biverkningar för kroppens övriga celler. Utöver detta så skulle vår idé kunna hjälpa till att transportera molekylen genom cellmembranet, som ju är en nödvändighet för att kunna binda till DNA-molekylen. Enkelt uttryckt så gynnas normalt molekylens förmåga att penetrera membranet av egenskaper som missgynnar molekylen vid DNA-bindning. De fotokromer vi ämnar använda har egenskaper som underlättar membranpenetrering innan de exponeras av ljus. Väl inne i cellen medför ljusexponeringen att dessa egenskaper ändras till att underlätta DNA-bindning. Slutligen så kan fenomenet ljuskontrollerad DNA-bindning användas i många andra praktiska applikationer utöver cytostatika. Funktionen för den ovan nämnda optiska fibern bygger helt och hållet på att fotokromen binder till DNA i en av formerna och kan på så sätt "katalysera" förloppet då fotoner transporteras längs DNA-strängen. Då fotokromen isomeriseras till den icke-bindande formen går denna egenskap förlorad och den optiska ledningsförmågan stängs av. Ett annat exempel som kommer att undersökas är om vi kan använda ljus till att guida DNA-molekyler på en lipidyta genom att kovalent modifiera en andel av lipiderna med fotokromer. Idén bygger på att DNA-molekylerna fastnar på de områden av ytan där fotokromen isomeriserats till den DNA-bindande formen. Genom att växelvis belysa delar av ytan med UV- och synligt ljus skulle vi kunna få DNA-molekylerna att röra sig längs bestämda mönster på ytan.