Сегодня мы часто сталкиваемся с бесконтактными RFID-чипами в ряде продуктов, но можно ли реализовать подобную технологию на молекулярном уровне? Ответ положительный. Принцип молекулярного кодирования, разработанный Милославом Полашеком и его командой в IOCB в Праге, представляет собой новый метод на границе химии и современных технологий. Их статья о парамагнитном кодировании молекул была недавно опубликована в журнале Nature Communications .
Новый принцип молекулярного кодирования и прототип такой молекулярной системы изначально были лишь научно-фантастическими идеями. После пяти лет разработки команде удалось создать молекулы с нужными характеристиками, структура которых подходит для включения ионов редкоземельных металлов, так называемых лантаноидов. Эти элементы обладают особыми парамагнитными свойствами, позволяющими настраивать отклик молекулы в магнитном поле . Ответ может служить носителем цифровой информациии, по аналогии с RFID-чипами, его можно считывать в радиочастотном спектре с помощью ядерного магнитного резонанса. Более того, эти молекулярные конструкции могут быть дополнительно связаны и объединены для создания все более сложного, но все же читаемого сигнала с более высокой пропускной способностью цифровой информации.
«В нашей статье для Nature Communications, мы ввели простейшую возможную систему из двух связанных молекул, в которую вставили различные комбинации атомов двух выбранных лантаноидов, диспрозия и гольмия. Мы показали, что даже с помощью такой примитивной системы можно создать четыре уникальных сигнала и использовать их для генерации пятнадцати различных цифровых кодов», — говорит Милослав Полашек, руководитель группы координационной химии Института органической химии и биохимии РАН. Чешская академия наук / IOCB Прага: «Сначала это может показаться не таким уж большим, но количество кодов резко растет по мере увеличения количества элементов. Четыре элемента обеспечивают 65 535 кодов, а с помощью всего шести мы могли бы, например, пометить уникальными кодами все банкноты евро, находящиеся в настоящее время в обращении. Учитывая, что мы можем использовать двенадцать из этих элементов.
Молекулярная конструкция, позволяющая встраивать атомы лантанидов в точно определенные места, играет ключевую роль. «Наша группа работает с хелаторами, представляющими собой молекулы, которые могут образовывать связи с ионами металлов и заключать их в структуру, похожую на клетку. они действуют как передатчик в магнитном поле и частота которых зависит от типа ионов металлов и их порядка», — объясняет Ян Кречмер, член группы IOCB в Праге и студент факультета естественных наук Карлова университета.
Милослав Полашек и его команда не единственные, кто заинтересован в использовании молекул в качестве носителей информации; другие исследователи в первую очередь искали способы, вдохновленные биологией, используя, например, ДНК. Преимущество ДНК заключается в ее способности хранить огромное количество информации в одной молекуле. С другой стороны, большим недостатком является его сложное считывание, требующее сбора и обработки образца, что, кроме того, создает риск загрязнения другой ДНК из окружающей среды. Фундаментальное преимущество парамагнитного молекулярного кодирования заключается в том, что информацию можно считывать дистанционно. Процесс считывания можно повторять бесконечно без какого-либо повреждения молекулы или истощения. Информация хранится постоянно.
«Когда мы представили нашу статью в журнал в первый раз, один из рецензентов предложил нам привести конкретный пример использования метода. Мы восприняли это как вызов и провели два эксперимента. В первом мы использовали наш набор молекулы для кодирования изображения с вписанным в него словом «КОД», которое мы затем считываем с помощью магнитного резонанса в сотрудничестве с командой Даниэля Йирака из Института клинической и экспериментальной медицины. Во втором эксперименте мы использовали немного другой метод чтобы закодировать слово «лантанид» в цифровом коде», — добавляет доктор Полашек.
Текущая молекулярная система использует четыре разных лантаноида и надежно способна к 16-битному кодированию; однако оптимизированная система, использующая также остальные лантаноиды, в принципе могла бы обеспечить 64-битное кодирование или даже выше, и это открыло бы возможности для приложений во многих областях. В принципе, можно маркировать микроскопические объекты, такие как клетки, а также макроскопические объекты, такие как лекарства или банкноты. Команда Милослава Полашека планирует заявки на ближайшие годы не только для химии и фармации, но и для телемедицины и других секторов, ориентированных на разработку инновационных технологий.
