Cząsteczkowy kontener o unikatowej strukturze udało się otrzymać, wykrystalizować i zbadać w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Agregat cząsteczek, przypominający wyglądem zwiniętego jeża, w części centralnej ma dużą lukę, którą potencjalnie można wykorzystać do transportowania innych związków, na przykład leków.

1. Grupa dr hab. Kingi Suwińskiej z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie odkryła molekularny kontener zbudowany z 12 cząsteczek kaliksarenu. Pustą przestrzeń wewnątrz kontenera będzie można w przyszłości wykorzystać do transportowania innych cząsteczek, np. leków. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Jak zwinięty jeż - tak wygląda agregat zbudowany z dwunastu cząsteczek kaliksarenu, otrzymany i zbadany w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Nową strukturę naukowcom udało się wykrystalizować, dzięki czemu mogli dokładnie poznać jej budowę na poziomie atomowym.

Kaliksareny to związki organiczne o cząsteczkach zbudowanych z cyklicznie ułożonych jednostek fenylowych. Najprostszym przedstawicielem grupy jest kaliksaren, składający się z czterech jednostek fenylowych połączonych w pierścień z centralną luką. Luka ta jest na tyle duża, że można wprowadzić w nią inną cząsteczkę, w całości lub częściowo, tworząc w ten sposób kompleks molekularny.

"W praktyce kaliksareny traktujemy jako molekularne odpowiedniki kielichów czy koszyczków, które mogą być użyte do transportu innych cząsteczek, na przykład leków. Nasza grupa wraz z kolegami z Institut de Biologie et Chimie des Protéines z Lionu ma międzynarodowy patent na otrzymywanie kokryształów kaliksarenów z lekami", mówi dr hab. Kinga Suwińska, prof. IChF PAN.

Wykorzystanie kaliksarenów w medycynie nie jest łatwe. Związki te zwykle rozpuszczają się tylko w rozpuszczalnikach organicznych. Z tego powodu w IChF PAN bada się modyfikowane kaliksareny, podstawione grupami sulfonowymi (-SO3H) i fosforanowymi (-PO3H2). W takiej postaci kaliksareny są przeprowadzone w formę kwasową, łatwo rozpuszczającą się w wodzie. Badania na myszach, zrealizowane dwa lata temu przez współpracującą z IChF PAN grupę naukowców z Institut de Biologie et Chimie des Protéines, wykazały, że w niskich i średnich stężeniach związki te nie są toksyczne. Ponadto same sulfonowane kaliksareny wykazują aktywność biologiczną, np. mają właściwości antywirusowe i antybakteryjne.

2. Molekularny jeż odkryty w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Agregat o kulistej budowie składa się z 12 cząsteczek kaliksarenów. Wewnątrz cząsteczki znajduje się duża pusta przestrzeń (zaznaczona na niebiesko), którą w przyszłości będzie można użyć do transportowania innych cząsteczek, np.leków. (Źródło: IChF PAN)

Zmodyfikowane kaliksareny stają się dobrymi nośnikami leków. Ich znaczenie jest tym większe, że leki, które w postaci czystej nie rozpuszczają się w wodzie, w kompleksie z kaliksarenem mogą być w wodzie rozpuszczalne. Dodatkowo, poprzez utworzenie kompleksu z kaliksarenem, można zmienić profil bioprzyswajalności leku. Oznacza to, że leki - nie zawsze przecież obojętne dla wszystkich tkanek i organów pacjenta - będzie można w przyszłości podawać w mniejszych, bezpieczniejszych dawkach.

Dobierając odpowiedni kompleks z kaliksarenem, naukowcy potrafią zabezpieczać cząsteczki skompleksowane przed wpływem czynników zewnętrznych, np. światła lub wilgoci. Umiejętność ta ma ważne znaczenie praktyczne. W postaci czystej lek może się rozkładać na przykład w górnej części układu pokarmowego. Dzięki kaliksarenom można go zabezpieczyć, jak w kapsułce molekularnej, i w tej formie dostarczyć dokładnie tam, gdzie jego obecność będzie najbardziej pożądana.

Najnowszym odkryciem grupy zajmującej się w IChF PAN chemią supramolekularną są cząsteczki modyfikowanego kaliksarenu samoorganizujące się w agregaty o wyjątkowo złożonej i wizualnie efektownej budowie. Wszystko zaczęło się od otrzymania w jednej z reakcji nowej pochodnej kaliksarenu, która wykrystalizowała w formie regularnych kryształów.

"Związki w postaci krystalicznej są doskonałym obiektem do badań. Ich strukturę można analizować bezpośrednio, za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. To dlatego mogliśmy tak dokładnie określić, jak wygląda samoagregacja nowego kaliksarenu", wyjaśnia prof. Suwińska.

Okazuje się, że w pewnych warunkach dwanaście cząsteczek kaliksarenu samoorganizuje się w kulistą strukturę z grupami alkilokarbonylowymi skierowanymi na zewnątrz. Supramolekularna supercząsteczka, która wtedy powstaje, przypomina zwiniętego jeża.

Malownicza supercząsteczka odkryta w IChF PAN ma rozmiary około pięciu nanometrów (miliardowych części metra). Jej szczególnie ważną cechą, zwłaszcza z punktu widzenia przyszłych możliwych zastosowań, jest duża luka wewnętrzna o objętości około tysiąca angstremów sześciennych. "W skali mikroświata taka przestrzeń to naprawdę sporo. Wewnątrz może się zmieścić ponad 30 cząsteczek wody", mówi prof. Suwińska. Specyficzna budowa powoduje, że molekularny jeż z IChF PAN wydaje się być doskonałym kandydatem do transportowania innych cząsteczek.

Prof. Suwińska zastrzega, że prace prowadzone w Instytucie Chemii Fizycznej PAN mają na razie charakter poznawczy. Opracowanie metod wytwarzania takich i analogicznych cząsteczek kaliksarenów, zbadanie właściwości ich kompleksów, np. z lekami, oraz przetestowanie tych kompleksów pod względem ewentualnej toksyczności i/lub aktywności biologicznej, wymaga jeszcze długich badań prowadzonych we współpracy z innymi instytucjami naukowymi.