RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Complessi porfirinici autoorganizzati su scala nanoscopica: proprietà e applicazioni tecnologiche

Università di riferimento

Università degli Studi di BARI - CHIMICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Angela Agostiano

Descrizione

La UdR di Bari si occuperà della caratterizzazione di complessi supramolecolari a base di pigmenti e proteine di interesse fotosintetico. E’ ben noto infatti che la maggior parte dei complessi fotosintetici presenta una organizzazione gerarchica dei componenti utilizzabile come modello per la progettazione di nuovi materiali e sistemi funzionali.Lo studio si svilupperà all’interno di due tematiche principali che studieranno da una parte la natura, l’intensità e la specificità delle interazione intra molecolari di sistemi porfirinici sintetici e naturali e dall’altra la loro capacità di organizzarsi in strutture supramolecolari a progressiva organizzazione gerarchica da indirizzare verso specifiche applicazioni nel campo della conversione dell’energia, della sensoristica e della biomedicina.
1) STUDIO DEI PROCESSI DI AUTOORGANIZZAZIONE MOLECOLARE DI PORFIRINE E FTALOCIANINE
- La molecola che in fotosintesi presiede sia ai processi di cattura e immagazzinamento della energia luminosa che a quelli di trasferimento e separazione della carica nei sistemi fotosintetici è la clorofilla, la cui duplice funzionalità dipende dalla capacità di modulare la sua organizzazione molecolare, e quindi le distanze e le orientazioni tra i cromofori, all’interno dell’ambiente in cui è inserita. In quest’ottica strutture supramolecolari create grazie ai processi di autoorganizzazione di clorofille naturali o chimicamente modificate in soluzione o in vari sistemi, come i films sottili su elettrodo, possono contribuire all’ottenimento di importanti informazioni sia per la comprensione dell’organizzazione molecolare di tali pigmenti negli organismi fotosintetici, sia per lo sviluppo di nuovi sistemi artificiali fotoattivi in grado di combinare le molecole in dispositivi che possano operare nel campo della cattura e conversione della energia solare. Nei laboratori dell’UdR di Bari , che vanta una consolidata esperienza nel campo dello studio dei sistemi fotosintetici, verrà condotto uno studio sull’organizzazione molecolare di clorofille naturali, estratti dagli organismi fotosintetici, e clorofille modificate quali la piroclorofilla, la Zn-Clorofilla e la Zn-feoforbide, sintetizzate nei laboratori del prof. H. Scheer in Monaco, sia nella cosiddetta “water rich region” (WRR) che in sistemi microeterogenei a base lipidica. Di particolare interesse saranno i risultati ottenuti con la clorofilla c pigmento base dei complessi antenna clorosomiali, per un suo eventuale utilizzo come sistema antenna artificiale. Saranno inoltre studiati i processi di aggregazione di sistemi modello delle clorofilla fotosintetiche, quali le ftalocianine. E' ben noto che queste molecole danno luogo in soluzione a processi di aggregazione spontanea con la formazione di aggregati di tipo H o di tipo J, con peculiari proprietà spettroscopiche ed elettroniche, che li rendono potenzialmente sfruttabili per la costruzione di dispositivi molecolari . In questa UdR verranno studiati i processi di aggregazione di queste molecole in vari solventi, per evidenziare la loro dipendenza da parametri quali il momento di dipolo, la costante dielettrica , il numero solvente e la loro capacità di coordinazione con il metallo centrale. Verranno prese in considerazione ftalocianine a base libera o metalloftalocianine di diversi metalli quali rame, zinco, magnesio, palladio, vanadio e ferro. Saranno inoltre esaminate ftalocianine a varia estensione della coniugazione mediante l’inserimento di gruppi funzionali sull’anello macrociclico, quali gruppi esterei, catene alchiliche di varia lunghezza e grado di insaturazione, e gruppi eterei. Infine verranno esaminati gli effetti della simmetria e della carica della molecola sulle proprietà degli aggregati ottenuti.
La natura delle interazioni sarà studiata mediante tecniche spettroscopiche UV-Vis-Nir, Fluorescenza, Dicroismo Circolare ed NMR. Mediante Dynamic (DLS) and Resonance Light Scattering (RLS), sarà possibile valutare la dimensione degli aggregati. In collaborazione con la UdR di Catania verranno condotti studi sulle proprietà fotochimiche mediante spettroscopia risolta nel tempo. I pigmenti nei sistemi sopra descritti possono essere depositate come monostrati all’interfaccia acqua/aria con la tecnica LB su differenti substrati. La fluorescenza dei pigmenti stessi o l’aggiunta di opportune sonde permetterà l’utilizzo di Microscopia a fluorescenza e Brewster Angle Microscopy, tecniche sensibili ai processi di aggregazione in grado di seguire la formazione di domini diversi all’interno del monostrato e gli eventuali processi fotochimici. La formazione di monostrati complessi di pigmento o pigmento/lipidi potrà essere seguita anche mediante la spettroscopia UV-Vis in riflessione nei laboratori della UdR di Lecce. Le proprietà redox degli aggregati saranno inoltre indagate attraverso l’uso di tecniche elettrochimiche e spettroelettrochimiche. Saranno anche verificate le eventuali caratteristiche fotoelettrochimiche di tali aggregati mediante l’uso di elettrodi modificati con la tecnica dello spin coating o con la tecnica LB, in collaborazione con la UdR di Lecce. Sugli stessi sistemi verranno condotti in maniera complementare studi di tipo termodinamico indirizzati ad investigare gli effetti di variazione della concentrazione dei pigmenti e della natura del solvente, usando solventi classici a diversa polarità e sistemi biomimetici. Lo studio termodinamico prevede misure di volume ed entalpia oltre che di capacità termica mediante calorimetria differenziale a scansione.
Grazie alla presenza di una unità di personale della Università di Padova, sugli aggregati di tipo J precedentemente caratterizzati verranno effettuati studi delle proprietà di assorbimento a due fotoni (TPA), per verificare sperimentalmente il previsto incremento della risposta ottica non lineare in questi sistemi, in vista di un loro impiego nella costruzione di dispositivi attivi come limite ottico. Saranno effettuate misure per stimare il coefficiente di assorbimento a due fotoni,come pure misure di pump and probe con risoluzione di 150 fs per un intervallo temporale che arriva a 1 ns, eccitando tra 400 e 800 nm e rivelando tra 450 e 1100 nm. Le misure saranno effettuate mediante la tecnica Z-scan e potranno fornire addizionali informazioni sul loro potenziale uso anche come sensibilizzatori nella terapia fotodinamica.
Il complesso dei dati sui processi di aggregazione dei pigmenti verrà analizzato mediante modelli interpretativi basati su simulazioni stocastiche delle cinetiche di tali processi compiute utilizzando algoritmi e programmi sviluppati ad hoc, anche grazie alla collaborazione con l’unità di personale del CNR di Napoli, presente all’interno della nostra UdR.
2) ORGANIZZAZIONE DI PIGMENTI IN COMPLESSI GERARCHICI SUPRAMOLECOLARI.
- eterogiunzioni pimenti/semiconduttori inorganici nanocristallini in celle solari.
All’interno di questo filone di ricerca si intende progettare etero-giunzioni semiconduttori inorganici nanocristallini/molecole organiche, quali pigmenti fotosintetici, porfirine e ftalocianine allo scopo di caratterizzare i processi fotofisici ed elettrochimici di generazione, iniezione, trasporto e separazione di carica all’interfaccia dei due materiali. E’ infatti di notevole interesse lo studio di eterogiunzioni semiconduttori a grande bandgap/pigmenti sensibilizzatori per modificarne la superficie rendendo tali materiali utilizzabili per applicazioni fotoelettrochimiche nel visibile. I semiconduttori nanocristallini rappresentano uno stato della materia intermedio tra il regime molecolare e quello dei solidi di volume. Le loro peculiarità derivano dalla possibilità di variare le proprietà ottiche ed elettrochimiche modificando le dimensioni dei nanocristalli, assicurando anche un elevata estensione superficiale del film. I semiconduttori ad ampio band-gap utilizzati saranno TiO2, ZnO, CdS e CdSe. Come sensibilizzatori saranno utilizzate clorofille modificate con diversi gruppi funzionali per modulare meglio proprietà elettroniche ed idrofobicità, parametro importante per l’interazione con la superficie del semiconduttore. Inoltre, poichè nei sistemi antenna dei complessi fotosintetici, l’alta efficienza dei processi di assorbimento e trasferimento dell’energia luminosa è legata all’insorgere di legami non covalenti tra i diversi pigmenti che ne fanno parte, è nostra intenzione studiare le condizioni in cui tali pigmenti possono autoassemblarsi a formare complessi supramolecolari sulla superficie dei semiconduttori nanocristallini. Processi successivi di trasferimento di carica tra i pigmenti dovrebbero aumentare l’efficienza del processo di sensitizzazione. Queste considerazioni saranno supportate anche da studi teorici. Particolare attenzione sarà posta anche nell’uso di molecole modello degli stessi, le ftalocianine, che offrono i vantaggi di una maggiore stabilità anche al trattamento termico, nonché tempi di vita maggiori degli stati a cariche separate. Mediante misure spettroscopiche di assorbimento e fluorescenza in riflessione si intendono studiare le caratteristiche delle eterogiunzioni ftalocianina/semiconduttore nanocristallino al variare sia delle tecniche che del solvente di deposizione, variando anche le modalità del trattamento termico che conferisce caratteristiche di aggregazione diverse al film di dye depositato. Fotocorrenti e fotopotenziali saranno misurati in celle fotoelettrochimiche ad hoc (cella a sandwich), sia in celle polarografiche classica a tre elettrodi. Saranno inoltre effettuate, in collaborazione con la UdR di Messina misure di anisotropia di fluorescenza, per evidenziare orientamenti preferenziali delle molecole di pigmento sulla superficie del semiconduttore. La collaborazione con l’UdR di Lecce permetterà il trasferimento di films di pigmenti su substrati diversi e lo studio delle loro proprietà ottiche e morfologiche mediante misure in situ con microscopia a fluorescenza, Brewster Angle Microscopy. I film ottenuti sui vari substrati verranno analizzati mediante TEM e AFM ad alta risoluzione.
- complessi pigmento-proteina del fotosistema II su substrato per applicazioni in biosensoristica
In questa parte del progetto si intende studiare il fotosistema II (PSII), complesso pigmento-proteina direttamente coinvolto nell’ossidazione dell’acqua nelle piante superiori, costituito da oltre 20 polipeptidi alcuni dei quali con funzione di antenna. E’ possibile isolare il PSII sia in forma monomerica sia in forma dimerica fotoattiva. Questo studio sarà effettuato purificando e caratterizzando piccoli complessi del PSII, con particolare attenzione al contenuto di lipidi associati per valutare la loro influenza nel processo di dimerizzazione. Tale caratterizzazione sarà effettuata attraverso spettrometria di massa ed NMR, mentre la formazione di aggregati del PSII sarà seguita mediate misure di DLS, presso la UdR di Messina, e fluorescenza risolta nel tempo. Sempre in collaborazione con la UdR di Messina saranno valutati ulteriori fattori che influenzano i processi di aggregazione di tali complessi proteici, quali l’effetto della temperatura e dell’irraggiamento sulla crescita degli aggregati.Le conoscenze acquisite da queste indagini saranno utilizzate per le procedure di immobilizzazione dei fotosistemi su substrati a fini biosensoristici. I fotosistemi infatti rappresentano macchine molecolari nanoscopiche in grado di operare una efficiente separazione di carica, trasformabile in segnale elettrico in dispositivi opportunamente progettati. La stabilizzazione delle cariche separate avviene grazie ad un processo di trasferimento elettronico vettoriale tra i cofattori del fotosistema, la cui alterazione dovuta ad erbicidi o altri inquinanti tossici per la attività fotosintetica, può essere quindi misurata da una proporzionale alterazione del segnale elettrico. Oltre che elettricamente, il segnale sarà anche seguito, presso la UdR di Lecce, mediante Surface Plasmon Resonance (SPR), tecnica molto sensibile all’occupazione di siti di legame da parte di molecole a diverso peso molecolare rispetto a quella di partenza. A tal fine sono incoraggianti alcuni tentativi di immobilizzazione del PSII su oro e destrano opportunamente funzionalizzato, in cui segnali positivi di SPR, hanno confermato il legame della proteina al “chip” ed hanno anche permesso di seguire i processi di dimerizzazione su substrato della proteina stessa. Si proseguirà quindi partendo da complessi molecolari piccoli e realizzando la loro aggregazione funzionale su substrato utilizzando anche la loro incorporazione in lipidi che, come la cardiolipina, hanno mostrato di svolgere un ruolo non passivo sulla loro organizzazione molecolare “in vivo”. Questi assemblati saranno caratterizzati sia a livello strutturale mediante tecniche di superficie (Lecce) che funzionale attraverso tecniche spettroscopiche ed elettrochimiche. La capacità di questi sistemi di agire come biosensori per molecole che alterano la attività fotosintetica sarà verificata in celle fotoelettrochimiche ed in celle a flusso opportunamente disegnate.
-complessi pigmento/ ciclodestrine per la terapia fotodinamica
Lo studio della solubilizzazione di soluti idrofobici, come le porfirine e le clorofille, in ambienti acquosi è divenuto negli ultimi tempi di grande interesse per lo sviluppo di sistemi fotosensibilizzanti in campo medico, come la Terapia Fotodinamica, PDT. Recentemente nei nostri laboratori è stato effettuato uno studio sistematico sulla caratterizzazione di soluzioni acquose di porfirine naturali e sintetiche. L’attenzione è stata focalizzata sul comportamento di tre pigmenti: clorofilla a, clorofillide a e meso-tetra (4-pyridyl) porfirina, utilizzando come agenti veicolanti le ciclodestrine (CDs). Le CDs sono oligosaccaridi ciclici a forma di tronco di cono con una cavità centrale idrofobica e chirale, e una superficie esterna idrofilica, in grado di complessare substrati di opportuna forma e dimensione modificandone la reattività e le proprietà chimico-fisiche. Su questi complessi sarà condotto uno studio per valutare le interazioni di stacking ed idrofobiche responsabili della formazione di aggregati plurimolecolari. In particolare saranno caratterizzati complessi di inclusione con tre diversi tipi di b-ciclodestrina caratterizzate dallo stesso diametro interno, ma superfici esterne diversamente funzionalizzate. Misure di assorbimento e fluorescenza permetteranno di determinare sia la stechiometria dei complessi che le costanti di binding. Mediante Isothermal Titration Calorimetry (ITC) si studierà la termodinamica del processo di veicolazione delle porfirine in acqua. Da misure di Dicroismo Circolare e di quenching di fluorescenza si otterranno informazioni sulla formazione di specie aggregate, mentre il RLS indicherà la presenza di accoppiamento eccitonico. L’Anisotropia di fluorescenza sia statica che dinamica, permetterà invece di studiare l’eventuale presenza di complessi a diversa geometria e stechiometria. Queste misure verranno condotte in collaborazione con la UdR di Messina. Evidenze sulla formazione di complessi di inclusione saranno ottenute mediante misure di tempi di rilassamento NMR, FTIR, Voltammetria Ciclica e spettroelettrochimica. La presenza di ossigeno singoletto in soluzione verrà evidenziata mediante misure di fotoluminescenza effettuate presso la UdR di Catania. Si intende anche studiare l’interazione tra i complessi di inclusione pigmento/CD e cellule scelte opportunamente (sane o tumorali) allo scopo di verificarne la compatibilità al variare della concentrazione sia di CD che di pigmento, con l’ausilio della microscopia in fluorescenza e nel visibile. Inoltre verranno effettuate misure di ossigeno singoletto in presenza delle cellule mediante un tecnica “pump and probe” sempre in collaborazione con l’UdR di Catania, allo scopo di valutare le caratteristiche di citotossicità del complesso in presenza di luce.