Slovenský chemik: Šéf ma najprv od projektu odhováral, napokon sme ho uverejnili v Science

V budúcnosti chce vedec Peter Štacko hľadať spôsoby, ako aktivovať a uvoľňovať molekuly v živých organizmoch pomocou viditeľného a infračerveného svetla. „Červené a blízke infračervené svetlo (600-1000 nm) dokáže prenikať cez tkanivo do hĺbky až niekoľko centimetrov, a preto je vynikajúcim kandidátom na neinvazívnu a zároveň lokálnu terapiu,“ vraví fotochemik Štacko. 

Ako by ste v skratke opísali molekulový motor z vášho článku v magazíne Science?

Molekulový motor je založený na báze klasického molekulového motora vyvinutého v skupine Bena Feringu (laureát Nobelovej ceny 2016, pozn. red.). Je to vlastne jedna malá molekula, ktorej dve časti dokážu za určitých podmienok rotovať proti sebe. Tak ako všetky motory z dielne Feringu, aj tento je poháňaný svetlom. Keďže sme chceli ukázať, že primárny pohyb (rotáciu) molekulového motora dokážeme preniesť aj na ďalšie súčasti, museli sme pôvodný dizajn upraviť pridaním pomyselnej lopatky, ktorá bola tvorená naftalénom.

Prečítajte si

Slovák publikoval v Science, s držiteľom Nobelovej ceny za chémiu vyvinul molekulový motor

Čo slúži ako zdroj energie pre uvedený molekulový motor?

Primárnym zdrojom energie je svetlo, v tomto prípade UVA svetlo. Cyklus jednej rotácie motora sa skladá zo štyroch krokov, dvoch poháňaných svetlom (fotochemické kroky) a dvoch poháňaných teplom (termické kroky). Motor je nadizajnovaný tak, že na priebeh termických krokov stačí izbová teplota, teda okolo 25 stupňov. Motor vykoná v priemere jednu otáčku za 10 sekúnd.

Išlo o nový projekt, alebo pokračovanie už existujúceho výskumu?

Tento projekt vychádza z podobného nápadu, ktorý som našiel v diplomovej práci ďalšieho autora (Jos Kistemaker, pozn. red.). Chcel docieliť orientovanú (z angl. geared) rotáciu dvoch častí motora – v podstate pohyb podobný dvom ozubeným kolesám. Táto myšlienka však nakoniec nefungovala. Pri čítaní jeho práce mi napadlo, že by sme tie poznatky mohli využiť spôsobom viazanej rotácie (z angl. tidal locking). Nakreslil som teda niekoľko molekúl-kandidátov, ktoré by odhadom spĺňali parametre nutné pre takýto pohyb a boli synteticky dostupné. Následne som ich priniesol Josovi, aby pomocou kvantovo-chemických výpočtov spočítal, ktoré budú skutočne vhodné. Takto vznikla naša molekula, teda aspoň na papieri.

Rotácia molekulového motora

Je analógia s obehom Mesiaca okolo Zeme náhodná, alebo išlo o zdroj inšpirácie počas návrhu molekúl?

Hlavnou motiváciou je neustále hľadanie nových, zložitejších úloh a funkcií pre molekulové stroje. Kľúčová však bola inšpirácia predchádzajúcim, neúspešným projektom. Pôvodne sme sa na náš systém pozerali ako na reťaz poháňanú ozubeným kolesom, kde vždy rovnaká strana reťaze čelí ozubenému kolesu. Až neskôr sme – pre lepšie pochopenie čitateľa – prišli s analógiou odvrátenej strany Mesiaca.

Ako ste docielili kontrolu rotácie naftalénu?

Boli sme si vedomí, že energetické bariéry jednotlivých procesov, teda ako ľahko prebiehajú v rámci celého pohybu, musia spĺňať nejaké podmienky. To znamená, že niektoré musia byť podstatne rýchlejšie alebo pomalšie ako ostatné, ale zároveň nemôžu byť prirýchle ani príliš pomalé. Na začiatok bolo potrebné mať trocha chemického citu, aby som prišiel s prvými kandidátmi. Tých sme následne optimalizovali pomocou kvantovo-chemických výpočtov. Naša pôvodná hypotéza sa ukázala ako správna a molekula nakoniec skutočne fungovala presne tak, ako mala.

Totálna syntéza funkčných molekúl zvykne trvať veľmi dlho. Ako dlho trvala syntéza finálnych zlúčenín?

Napodiv, celková syntéza, ako ani experimenty nezabrali priveľa času, odhadom 4-5 mesiacov. Bol to asi najefektívnejší projekt, na ktorom som doteraz pracoval. Najťažšie bolo prísť s originálnou a funkčnou myšlienkou a následne celý projekt zrozumiteľne spísať.

Článok ste poslali do jedného z najprestížnejších vedeckých časopisov. Bolo jeho písanie odlišné od iných vašich publikácií?

Písať článok do časopisu Science je dosť odlišné od bežných článkov. Musí byť totiž napísaný tak, aby tomu rozumeli i nechemici, čo bolo v tomto prípade veľmi náročné – nie každý má totiž takú priestorovú predstavivosť. Preto sme nakoniec museli vytvoriť i jednoduché animácie. Pikoškou, ktorú musím na Bena (Feringu, pozn. red., vedúci laboratória) prezradiť, je, že nás od projektu na začiatku odhováral. Myslel si totiž, že nebude fungovať. Nakoniec zasa prehováral on nás, aby sme to skúsili poslať do Science.

Váš molekulový motor predstavuje jeden z prvých krokov k funkčným molekulovým strojom. Bude tento výskum pokračovať aj po vašom odchode z Feringovej skupiny?

Aj keď už nie som súčasťou Benovej skupiny, som presvedčený, že tento projekt bude pokračovať. Je to ďalší príklad, že nanostroje na báze molekúl dokážu vykonávať i náročnejšie funkcie zložené z viacerých pohybov. V dnešnej dobe totiž nestačí demonštrovať jednoduchý pohyb, alebo funkciu molekuly. Aby sa nanotechnológia posúvala ďalej, je nevyhnutné prichádzať so sofistikovanejšími dizajnmi, ktoré dokážu konkurovať tým, ktoré vidíme v prírode.

Kariéru ste začali ako fotochemik. Čo vás motivovalo prejsť do skupiny Bena Feringu a zmeniť svoje zameranie?

Ja som ho úplne nezmenil, skôr by som povedal, že som expandoval ďalej. Feringa totiž robí aj fotochémiu. Počas magisterského štúdia som videl jeho prednášku v Prahe a veľmi na nadchla. Bol jedným z ľudí, ktorým som napísal, keď som chcel odísť na program Erazmus. Odpísal mi a nakoniec to vyšlo. Mal som teda aj veľa šťastia. Fascinovala ma myšlienka skombinovať fotochémiu s inými disciplínami, napríklad supramolekulovou chémiou, chémiou na povrchoch a podobne. Po absolvovaní Erazmu ma Ben intenzívne presviedčal, aby som u neho zostal aj na doktorát. Pôvodne som chcel ísť študovať do USA, no nedostal som Fulbright Fellowship, o ktorý som sa uchádzal, takže som nakoniec skončil u neho.

Pracovalo sa vám u Bena Feringu dobre?

Ben je ako šéf veľmi priateľský, s bakalárskymi študentmi si tyká. Do práce chodí, ako správny Holanďan, každý deň 14 kilometrov na bicykli a rovnako naspäť domov, či sneží, alebo prší. Je však veľmi vyťažený, boli obdobia v roku, keď sme ho nevideli aj niekoľko mesiacov v kuse. Pracovať v jeho skupine si preto vyžaduje obrovskú dávku samostatnosti a vlastných nápadov. Tie väčšinou skutočne pochádzajú priamo z hláv jeho študentov, prípadne musia jeho primárnu ideu výrazne upraviť a dopracovať do finálnej verzie. Dokáže však ľudí výborne motivovať a pripraviť im čo najlepšie podmienky. Je to vlastne taký náš manažér.

Po absolvovaní doktorátu ste zamierili do Česka. Plánujete sa aj naďalej venovať supramolekulovej chémii alebo máte v hľadáčiku niečo nové?

Pred pár mesiacmi som dostal grant zameraný na pritiahnutie vedcov zo zahraničia – SoMoPro. Je to vynikajúci projekt, ktorý spoluorganizuje Jihomoravský kraj a EÚ pod záštitou Marie Curie programu. Najbližšie tri roky teda budem hľadať spôsoby, ako aktivovať a uvoľňovať molekuly v živých organizmoch pomocou viditeľného a infračerveného svetla. Červené a blízke infračervené svetlo (600-1000 nm) dokáže prenikať cez tkanivo do hĺbky až niekoľko centimetrov, a preto je vynikajúcim kandidátom na neinvazívnu a zároveň lokálnu terapiu. Zatiaľ máme niekoľko pozitívnych výsledkov s uvoľňovaním malých molekúl (CO, H₂S), ktoré v tele fungujú ako signálne molekuly. Máme však niekoľko nápadov, ako uvoľňovať väčšie molekuly, napríklad liečivá. Verím, že sa nám to nakoniec podarí. Myslím si, že takýto systém by bol veľkým prínosom, pretože toto odvetvie je stále v plienkach. Spôsoby, ako priamo uvoľniť liečivá z organickej molekuly blízkym infračerveným svetlom, sa dajú spočítať asi na prstoch jednej ruky a každý má zásadné nedostatky.