Chiralita molekul a moderní spektroskopické metody
Pracovník Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR doc. RNDr. Petr Bouř, CSc., DSc., obhájil disertaci Simulace vibračních spekter proteinů před komisí Fyzikální chemie a získal vědecký titul „doktor chemických věd“. Ve své práci se zaměřil na simulaci vibračních spekter, vibračního cirkulárního dichroismu (VCD) a Ramanovy optické aktivity (ROA) velkých molekul. Jím vyvinuté metody simulací ab initio vědci používají např. v laboratořích zakladatele této spektroskopické metody prof. L. D. Barrona v Glasgow. Kromě vědeckých aktivit se věnuje i výuce studentů v pregraduálních a postgraduálních studijních programech na VŠCHT a MFF UK a je školitelem mnoha doktorandů.
Foto: Archiv autora
Koníčkem Petra Bouře je vysokohorská turistika.
Chirální molekuly existují ve formách, které se k sobě mají jako levá a pravá ruka nebo levotočivý a pravotočivý šroub. Odlišit je od sebe můžeme podle jejich rozdílné interakce s polarizovaným světlem; proto také říkáme, že jsou opticky aktivní. Od prvních pozorování optické aktivity uplynulo bezmála dvě stě let. Dosud tento jev přinesl nespočet dalších objevů a aplikací ve fyzice, chemii, biologii a průmyslu. Jednou z nich je spojení spektroskopických metod s kvantově-chemickými výpočty, s jejichž pomocí lze hlouběji proniknout do světa molekul. Lepší porozumění jejich struktuře a interakcím usnadňuje jejich využití – zejména v molekulární biologii, chemii, a medicíně.
U kolébky moderního využití optické aktivity pro studium molekul stála nepochybně Francie. Když v letech 1846–1848 Louis Pasteur dokončoval teze své doktorské práce, byly již čtvrt století známy pokusy jiného francouzského vědce, Jean-Baptiste Biota, který pozoroval otáčení roviny polarizovaného světla při průchodu např. roztokem cukru. Teprve až Pasteur ale dokázal souvislost tohoto jevu s molekulární strukturou. A vybral si k tomu, jak se na Francouze sluší, kyselinu vinnou.
Tento jev pomohl i lépe pochopit podstatu světla. Vždyť: kde se v něm bere ona levo-pravá šroubová symetrie? Dnes víme, že si světlo můžeme představit – stejně jako Newton – jako proud jakýchsi kuliček; ty se ovšem mohou na jednu nebo druhou stranu otáčet. Stejně tak dobře ale vyhovuje představa jeho následovníků světla, jako vlny, která se může v prostoru otáčet.
Princip vibrační optické aktivity: Každá molekula z chirální dvojice rozptyluje kruhově-polarizované světlo jinak; odpovídající spektra (ROA) zachovávají „zrcadlovou“ symetrii. Zobrazené spektrum bylo získáno na Matematicko-fyzikální fakultě UK Praha.
Další, na první pohled nevinná otázka je, jestli jsou „levé“ a „pravé“ molekuly stejné, přesněji řečeno, jestli mají stejnou energii. Přestože selský rozum nezná důvod, proč by tomu tak nemělo být, správná odpověď vedla k jednomu z nejpřekvapivějších fyzikálních objevů vůbec – narušení parity ve vesmíru, který byl v roce 1957 odměněn Nobelovou cenou.
Pro molekulární studie se ovšem zatím tento rozdíl nezdá významný. Možnost rozlišení „pravých“ a „levých“ molekul je už zajímavější. Ta samá látka (carvone) ve dvou formách může vonět jako kmín nebo máta. U chirálních léčiv je účinná zpravidla jen jedna forma; v extrémním případě thalidomidu vedlo znečištění druhou formou k tragickým deformacím lidských plodů.
Hlavním motorem vývoje chirálních spektroskopických metod je ale jejich extrémní citlivost na tvar, konformaci molekul i na jejich okolí. Při studiu elementárního chování biomolekul poznáváme jejich funkce v živých organismech. Molekula prionu, pravděpodobný původce mnohých degenerativních chorob, ráda mění tvar z neškodné formy ve zhoubnou, která poskytuje zcela jiné spektrum.
Pro tyto účely se ukazuje výhodnost použití vibrační spektroskopie, která poskytuje detailnější informace o struktuře než elektronové přechody. K detekci signálu (viz obr. 1) je ovšem třeba pokročilá technika a optika, přičemž metody zdaleka nelze použít univerzálně. Souvislost mezi strukturou a spektrem je také zpravidla nutné hledat náročnými kvantově-chemickými výpočty. Proto se chvíli zdálo, že se chirální spektroskopie přestěhuje ze starého kontinentu do Anglie a především USA, kde se také na přelomu 20. a 21. století objevily první komerční spektrometry.
Přinejmenším česká věda však neztrácí s tímto výzkumem krok. Je to dáno tradicí a výsledky špičkových pracovišť, např. na Masarykově univerzitě v Brně nebo Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. První ROA spektrometr ve střední a východní Evropě vědci zkonstruovali ve Fyzikálním ústavu Matematicko-fyzikální fakulty UK.
Disertační práce (obhájená v r. 2010) shrnuje výzkum týkající se experimentálních i teoretických aspektů spektroskopických metod. Navazuje na silnou tradici chirálních metod v našem ústavu, zahrnující i organické syntézy chirálních molekul. Mnohých výsledků jsme dosáhli i prostřednictvím spolupráce s domácími i zahraničními univerzitami (Illinois, Wyoming, Tromsø).
V současné době se věnujeme zejména vývoji nových teoretických metod k vyhodnocování spekter, která využívají moderní výpočetní postupy (kombinace klasické a kvantové mechaniky), a jejich aplikacím pro potřeby biochemie a makromolekulární chemie. Zdá se, že optická aktivita stále přitahuje zájem studentů i přízeň grantových agentur. Doufáme, že tomu tak bude alespoň dalších dvě stě let.
PETR BOUŘ,
Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, v. v. i.
14.7.2010
