Řekni to molekulou!
Čárový kód na obalu zmrzliny nebo bezkontaktní karta použitá k jejímu zaplacení nám dnes připadají jako samozřejmost. Čím dál víc předmětů je dnes značeno nějakým typem digitální značky. Možná se nám může digitální kódování informací zdát jako vymoženost posledních pár desítek let, ale na předávání digitálních informací spoléhá naše existence od nepaměti. Doslova. Nebýt našich genů kódovaných pořadím bází v molekule DNA, nečetli byste nyní tento článek. Není tudíž třeba zdůrazňovat, že informační kapacita molekul je obrovská. Jak molekulární kódování využít pro technologické účely zaujalo skupinu Dr. Miloslava Poláška z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie Věd ČR, v níž působí i Ph.D. student Jan Kretschmer z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.
autor: Tomáš Belloň (ÚOCHB)
Nukleové kyseliny se už pro vytváření umělých molekulárních kódů používají. Problém ale nastává ve zpětném čtení takových informací. To funguje perfektně v biologickém prostředí buněk, kde pro něj existuje odpovídající molekulární aparát. Ten funguje na principu párování nukleových bází, což vyžaduje bezprostřední kontakt čtené molekuly s druhou molekulou, která čtený kód rozpoznává. Stejného principu párování se využívá i při strojovém čtení DNA současnými technologiemi. To je zároveň důvod, proč informaci z DNA nelze přečíst bezkontaktně. Lépe na tom nejsou ani uměle vytvořené polymery, kterých byla testována celá řada. I jejich čtení je možné, ale využívají se k němu destruktivní metody. Doslova je třeba při čtení z polymeru odsekávat jednu jednotku za druhou. Samotným přečtením se tedy molekula zničí a daný kód tak lze přečíst jenom jednou. Pro moderní využití je ale potřeba předávat informace bezkontaktně, rychle a opakovaně.
autor: Tomáš David (ÚOCHB)
Vědci se tedy rozhodli prozkoumat využití magnetismu molekul, konkrétně paramagnetických vlastností. Paramagnetické jsou látky s volnými valenčními elektrony. Když se takové látky dostanou do vnějšího magnetického pole, jejich nespárované elektrony produkují vlastní pole, které se vyznačuje specifickou intenzitou a směrem, které lze detekovat pomocí nukleární magnetické rezonance (NMR spektroskopie). A právě to, že magnetické pole má kromě intenzity i jednoznačný směr, umožňuje přečíst v jakém pořadí jsou v molekule řazeny jednotlivé paramagnetické jednotky, aniž bychom je museli při čtení "odsekávat". Navíc metoda NMR funguje v rádiových vlnách, které jsou pro vzorek i jeho okolí naprosto neškodné. Tím lze molekulární kód přečíst bez jeho destrukce, a tudíž je takový kód využitelný i opakovaně.
Jako vhodné paramagnetické jednotky byly zvoleny prvky ze skupiny lanthanoidů. Jejich výhodou je, že jsou si všechny chemicky velmi podobné, nicméně mají odlišné magnetické vlastnosti. Klíčové však bylo dosáhnout toho, aby bylo možné tyto kovové prvky řetězit v jedné molekule. Pro ten účel vědci zkonstruovali speciální molekulární stavební blok, který se skládá ze dvou důležitých částí. Tou první je tzv. chelátor, což je organická molekula, která umí pevně "uchopit" atom (přesněji ion) kovu. Druhou částí je aminokyselina, která umožňuje napojení na další stavební bloky, a tím jejich řetězení v jedné molekule. Aby správně fungoval, musel stavební blok splňovat ještě řadu dalších kritérií, zejména poskytnout tvarovou stálost, aby byla pozice kovu dobře definovaná. S tímto stavebním blokem pak bylo možné vytvářet složitější molekulární konstrukce, ve kterých byly různé lanthanoidy umístěny na přesně známé pozice. Pořadím prvků byla do molekul vepsána informace, kterou bylo následně možné bezkontaktně přečíst.
Aby demonstrovali tento nový princip paramagnetického kódování molekul, zkonstruovali vědci ten nejjednodušší možný modelový systém, který obsahoval pouze dva stavební bloky, a tedy dvě pozice pro kovové prvky. I tak se jim s použitím 4 různých lanthanoidů podařilo vytvořit 16-bitový kód, který jim umožnil zapsat a posléze přečíst heslo "Lanthanide". V budoucnu plánují vytvářet složitější molekulární konstrukce a rozšířit počet prvků na všech 12, které jsou použitelné.
Optimalizací chtějí získat až 64-bitový kód (1019 kódů). Pro srovnání aktuální systém MAC adres pro identifikaci všech zařízení připojených k internetu využívá pouze 48-bitový kód. Takové molekulární kódy by mohly najít využití například v medicíně, při značení jednotlivých živých buněk ve výzkumu, nebo jako ochranný prvek proti padělkům. Překážkou k okamžitému použití je aktuálně nízká citlivost NMR spektroskopie, ale s obrovskými pokroky v oblasti nových kvantových senzorů by se tato metoda brzy mohla stát rutinní realitou a otevřít tak dveře nevídaným využitím.
Velké poděkování za rozsáhlou spolupráci patří Dr. Miloslavu Poláškovi.
Magda Křelinová
Publikováno:
Pondělí 11.07.2022 10:20
Akce dokumentů