Vaadates maailma molekulide tasandil selgub, et loodus on üllatavalt „käeline“. Paljud molekulid võivad esineda kahes vormis, mis on teineteise peegelpildid nagu vasak ja parem käsi. Keemiliselt võivad need molekulid olla väga sarnased, kuid elusorganismides käituvad sageli väga erinevalt.

Just seetõttu on käelisus ehk kiraalsus oluline ravimite, toiduainete, lõhnaainete ja taimekaitsevahendite arendamisel. Üks peegelpildiline vorm võib anda soovitud toime, teine aga mõjuda märksa nõrgemalt või hoopis teisiti. Looduses oskavad ensüümid, retseptorid ja rakuprotsessid õige käelisusega molekulid ära tunda, umbes nagu käsi sobitub õigesse kindasse. 

Kuidas aga luua see süsteem laboris? Käeliste molekulide eristamiseks peab neid ära tundev materjal ise olema mingil moel „käeline“. Supramolekulaarse uurimisgrupi teadlased leidsid professor Riina Aava juhtimisel viisi, kuidas kanda käelisus ühelt molekulilt teisele. Selleks ühendati kaks väga erinevat molekulitüüpi. Üheks olid porfüriinid – molekulid, mille sugulasi leidub näiteks hemoglobiinis ja klorofüllis. Heade optiliste omaduste tõttu saab nendega hästi mõõta signaali olemasolu, kuid need ei tee vahet molekulide käelisusel. Teiseks olid hemikukurbituriilid – rõngakujulised molekulid, mida saab laboris valmistada kahes peegelpildilises vormis. Selgus, et kui akiraalne ehk „mittekäeline“ porfüriin seondub kiraalse hemikukurbituriiliga, hakkab ka porfüriin ise käituma justkui käelise molekulina. Selgus, et käelisust on võimalik „õpetada“ ning teadlased suutsid seda nähtust ka spetsiaalsete optiliste meetoditega mõõta.

Porfüriini seondumine kiraalse hemikukurbituriiliga viib peegelpildiliste kiraalsete struktuuride tekkeni | Joonis: Marko Šakarašvili/TalTech

Uuringus kirjeldati 31 uut molekulaarset struktuuri, mis näitasid, kui mitmel erineval viisil võivad porfüriinid ja hemikukurbituriilid omavahel ühineda. TalTechi doktorant-nooremteadur ja artikli esimene autor Marko Sakarašvili: “Kõige üllatavam oli see, et sõltuvalt kasutatud komponentidest organiseerusid molekulid väga erinevateks struktuurideks – üksikuteks kompleksideks, pikkadeks ahelateks ja isegi peegelpildilisteks spiraalideks. See näitab, kui paindlik see molekulaarsüsteem tegelikult on”.

Tulemused näitasid, et molekulide käitumist saab suunata üsna lihtsate ehitusplokkide valiku kaudu, mis avab võimaluse luua terve “raamatukogu” erinevate omadustega kiraalsetest materjalidest, mis reageerivad erinevatele molekulidele. Veelgi julgustavam oli see, et süsteem töötas eriti hästi tahkes materjalis. Mõnel juhul oli käelisuse signaal kuni kümme korda tugevam kui lahuses. „Looduses on käeliste molekulide äratundmine väga täpne, kuid laboris on seda keeruline järele teha. Meie töö näitab, et suhteliselt lihtsatest molekulidest saab ehitada terve valiku erinevate omadustega käelisi materjale, mida võiks tulevikus kasutada uute sensorite loomisel“, märgib Šakarašvili.

Selliste materjalide praktilist potentsiaali on näidatud koostöös Rooma Tor Vergata ülikooli teadlastega, kus porfüriinide ja hemikukurbituriilide kombinatsioone kasutati sensormaterjalidena elektroonilises ninas peegelpildiliste molekulide eristamiseks. 

Sellised materjalid võivad tulevikus leida kasutust kõikjal, kus on vaja kiiresti ja täpselt eristada peegelpildilisi molekule, näiteks ravimite kvaliteedikontrollis, toidu- ja lõhnaainete analüüsis või keskkonnaseires. Uuring näitab, et keerulise käelise käitumise saavutamiseks ei ole alati vaja keerulisi molekule. Mõnikord piisab sellest, kui õiged ehitusplokid omavahel kokku panna ja lasta neil ise organiseeruda.

Artikkel ilmus mainekas ajakirjas Inorganic Chemistry.