15.06.2022 - Trinity College Dublin

Wissenschaftler entwickeln lumineszierende Gele mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, von der Fälschungsbekämpfung bis zur Biosensorik

Wissenschaftler des Trinity College Dublin haben sich von der Natur inspirieren lassen, um lumineszierende, selbstheilende Gele zu schaffen, die eine Reihe potenzieller Anwendungen bieten, die von der Fälschung von Banknoten bis hin zur Bio-Sensorik und Bildgebung der nächsten Generation reichen.

Entscheidend ist, dass es den Wissenschaftlern gelungen ist, Guanosin (ein Molekül, das in unseren Zellen eine wichtige Rolle im Stoffwechsel spielt) in diese Gele einzubringen und andere Moleküle hinzuzufügen, die aus Sicht der Material- und Biowissenschaften spannende Dinge bewirken können. Ein solcher Zusatz zu diesen Gelen sind Lanthanid-Ionen, die einzigartige Eigenschaften wie Lumineszenz, Magnetismus und die Fähigkeit, bestimmte Reaktionen zu beschleunigen, besitzen. Die Studie wurde in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Cell Press Chem veröffentlicht.

Guanosin-Gele weisen Chiralität auf (in diesem Fall linkshändige Helizität), und die Wissenschaftler konzentrierten sich darauf, diese Eigenschaft auf die Lanthanidenelemente der Gele zu übertragen, nachdem diese Ionen hinzugefügt worden waren.

Auch wenn dies nur wie ein weiterer einfacher Schritt in der chemischen Rezeptur erscheinen mag, so ist es doch ein Sprung, der die Türen zu einer Vielzahl neuer Anwendungen öffnet, da er bedeutet, dass diese Gele unterschiedliche Intensitäten dessen, was sie erfassen sollen, genau signalisieren können.

Aus medizinischer Sicht könnte das zum Beispiel bedeuten, dass das Vorhandensein - und die Menge - eines Biomarkers von Interesse genau nachgewiesen werden kann. Aber die Möglichkeiten sind so zahlreich, dass das Team nun in Ruhe überlegen muss, in welche Richtung es seine Forschung weiterführen will.

Oxana Kotova, Research Fellow an der Trinity School of Chemistry und AMBER, dem SFI Centre for Advanced Materials and BioEngineering Research, ist Erstautorin der veröffentlichten Studie.

Dr. Kotova, die an der Fakultät für Chemie im Trinity Biomedical Sciences Institute (TBSI) tätig ist, sagte: "Wir sind an der Entwicklung supramolekularer Hydrogele wie diesem interessiert, da sie so viele Türen zu neuen Anwendungen in verschiedenen Bereichen von der Biologie bis zu den Materialwissenschaften öffnen. Durch die Übertragung der Chiralität auf die Lanthanidenelemente dieses Gels konnten wir die chirale Lumineszenzantwort des Gels modifizieren, was zum künftigen Verständnis der kürzlich entdeckten biologischen Funktionen der Lanthanide sowie zur Entwicklung von Sensoren und bildgebenden Mitteln der nächsten Generation beitragen kann. Wir finden es faszinierend, dass sich solche Möglichkeiten aus einem neuen Material ergeben, das seinerseits aus der Biologie abgeleitet wurde.

Thorfinnur Gunnlaugsson, Professor für Chemie an der Trinity School of Chemistry und AMBER und am TBSI tätig, ist der Hauptautor des Forschungsartikels. Er fügte hinzu: "Die Idee, die Oxana hier hatte, bestand darin, bioinspirierte DNA-Bausteine zu verwenden, um lumineszierende, reaktionsfähige weiche Materialien zu erzeugen, die nicht nur unter Lichteinstrahlung emittieren, sondern auch selbstheilend sind, was wiederum zu verschiedenen Anwendungen führen kann, z. B. im reaktionsfähigen Tintendruck. Darüber hinaus erzeugt das in diesem Chem-Artikel vorgestellte Material bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht eine chiral basierte Emission. Das bedeutet, dass wir mit einer Technik namens zirkular polarisierte Lumineszenz (CPL) entweder die "rechts- oder die linkshändige" (d. h. die polarisierte) Emission des Materials beobachten können. Der Nutzen dieser spektroskopischen Technik wird immer deutlicher, und ihr Einsatz in der chemischen und biologischen Forschung findet immer mehr Anhänger. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die potenziellen Anwendungen von bioinspirierten weichen Materialien auf Lanthanidenbasis, z. B. für die Überwachung biologischer Prozesse, die Bildgebung in lebenden Zellen und die Verabreichung von Medikamenten, um nur einige zu nennen. Die CPL-Technik ist auch ein wichtiges Mittel zur Entwicklung von "reaktionsfähigen" Fälschungsfarben für den Druck von Banknoten, Etiketten usw. Die Möglichkeiten, die sich hier für künftige Entwicklungen bieten, sind also enorm, und wir freuen uns, an dieser wichtigen Entdeckung beteiligt zu sein, die nur durch das Zusammenkommen führender Forschungsgruppen mit großem Fachwissen möglich wurde."

  • Oxana Kotova et al.; Lanthanide luminescence from supramolecular hydrogels consisting of bio-conjugated picolinic-acid-based guanosine quadruplexes; Chem; 2022

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