Molekularni klasteri su agregati molekula koji se drže zajedno nekovalentno, relativno slabim silama. Kada su ovi klasteri uzbuđeni, normalno bi se očekivalo da se klaster jednostavno raspadne. Međutim, fascinantno pitanje je da li se može pronaći način da se spoje molekuli unutar klastera i formiraju hemijske veze između njih, pre nego što klaster ispari.
O ovom procesu, nazvanom formiranje intra-klastera veza (ICBF) se poslednjih godina raspravlja kao o mehanizmu za formiranje složenih molekula u međuzvezdanom medijumu, kao i kao sredstvo za formiranje složenih biomolekula potrebnih za evoluciju života. Na primer, može li se formirati peptidne veze između aminokiselina unutar klastera? Ako je tako, takav mehanizam može biti instrumentalan za razumevanje abiotičke formacije prvih peptida i proteina.
Najviše proučavani klasteri aminokiselina su oni serina, zbog njihovih izuzetnih svojstava, kao što je njihova sklonost da formiraju magične klastere koji sadrže tačno osam molekula. Ove studije su dovele do mnogo spekulacija o ulozi serinskih klastera u nastanku života. Međutim, uprkos decenijama istraživanja, nije bilo zapažanja formiranja veza unutar ovih klastera.
Jedna studija, koju je vodila grupa Toker sa Univerziteta Bar-Ilan u Izraelu, primetila je formiranje peptidne veze u klasterima koji sadrže četiri serinska dipeptida koji su zagrejani sudarima. Međutim, nisu pronašli dokaze da se isti proces dešava u serinskim klasterima. U tom radu su zaključili da ako se dva molekula serina mogu vezati zajedno da formiraju dipeptid, onda bi sledeće faze polimerizacije verovatno mogle da se dese lako.
Nova studija koju je vodila grupa Toker, u saradnji sa grupom Patrika Rusoa sa Univerziteta Kaen, grupom Serhio Diaz Tenderro sa Univerziteta u Madridu i onom Lorana Nahona sa SOLEIL-a, pruža upravo takav mehanizam.
„San fotohemije je da koristi svetlost za pokretanje hemijskih reakcija za koje inače nije verovatno da će se desiti. Sadašnji eksperimenti pokazuju prelep primer takvog procesa“, kaže prof. Joni Toker, sa Odseka za fiziku u Bar-u. Univerzitet Ilan.
Eksperiment je izveden u francuskom DESIRS beamline-u u SOLEIL sinhrotronu, koji nudi jedinstvenu priliku kombinovanja podesivog monohromatskog svetla u vakuumskom ultraljubičastom regionu sa masenim spektrometrom zasnovanim na jon-zamkama. Ovo omogućava da se proizvedu i izaberu klasteri od interesa, ozrače ih sinhrotronskom svetlošću i mere dobijeni fragmenti.
Štaviše, moguće je izvesti još složenije eksperimente gde se fragmenti masovno biraju, a zatim pobuđuju kolizijski.
„Nadali smo se da ćemo videti neke dokaze o formiranju veze u velikim serinskim klasterima, kao što je magični oktamer“, kaže Ori Liht, iz Toker laboratorije i glavni autor rada. „Ali bili smo iznenađeni kada smo videli da se formiranje veze dešava u klasterima koji sadrže samo dva molekula serina nakon apsorpcije UV fotona. Čak smo bili u mogućnosti da koristimo merenja MS 3 da bismo potvrdili da su fragmenti koje smo primetili zaista proizvodi formiranja veze unutar klastera. .“
Upoređujući merenja serinskog dimera sa onim serinskog dipeptida, tim je pronašao ubedljive dokaze da je došlo do formiranja peptidne veze. Merenja su dopunjena najsavremenijim kvantnim hemijskim proračunima, koje je sprovela grupa Serhia Diaza Tendera sa Univerziteta u Madridu.
Uspeli su da izračunaju dinamiku uzbuđenog stanja klastera i otkrili da neka od elektronskih stanja evoluiraju ka formiranju peptidne veze. „Drugim rečima, naš rad pruža i eksperimentalni i teorijski okvir za to kako se jedna od najvažnijih biofizičkih reakcija može pokrenuti abiotički unutar molekularnih klastera apsorpcijom ultraljubičastog svetla“, kaže Toker.
Jedan od fascinantnih aspekata biomolekula je njihova hiralnost – njihova praktičnost. Kada se molekuli sintetišu u laboratoriji, proizvodi se jednaka količina levorukih ili desnorukih molekula.
To nije slučaj u živim sistemima, gde su, na primer, sve aminokiseline levoruke. U narednim studijama istraživači se nadaju da će utvrditi da li proces formiranja veze unutar klastera koji su posmatrali ima hiralnu preferenciju: da li se levoruki molekuli bolje vežu sa drugim levorukim molekulima ili više vole da se vežu sa desnorukim molekulima ?
Trenutna studija je nedavno objavljena u Angevandte Chemie.
Dipeptide korišćene u ovom radu sintetizovale su grupe prof. Jicaka Mastaija i prof. Amnona Albeka, sa Odseka za hemiju Univerziteta Bar-Ilan.
