Moleculen die van vorm veranderen onder invloed van licht zijn te gebruiken als schakelaars voor medische toepassingen. Een internationaal onderzoeksteam onderzocht de precieze werking van azonium verbindingen. Dit baant de weg voor de toepassing van azonium verbindingen in met licht schakelbare geneesmiddelen.

In een artikel in het Journal of the American Chemical Society (JACS) beschrijven de onderzoekers, met scheikundigen van de Universiteiten van Amsterdam en Groningen, het schakelmechanisme tot in het kleinste detail.

Licht biedt een nauwkeurige controle over moleculaire processen, zoals bij de door licht aangedreven moleculaire motors waarvoor Ben Feringa in 2016 de Nobelprijs voor Scheikunde ontving. Een toepassing ligt in de ‘fotofarmacologie’, waarin met licht schakelbare moleculen worden gebruikt om processen in het lichaam te beïnvloeden. De vormverandering kan bijvoorbeeld de werking van een enzym remmen. Met behulp van licht is zo’n proces nauwkeurig te beheersen, zowel in tijd als plaats. Bij een geneesmiddel kan dit bijwerkingen voorkomen.

Azoniumverbindingen schakelen onder invloed van rood of infrarood licht, dat veilig is en diep in weefsel kan doordringen. En ze zijn ook stabiel in het lichaam in een waterig milieu en bij een neutrale zuurgraad. Bovendien is de vormverandering stabiel, in ieder geval lang genoeg om een biologische reactie te veroorzaken. Ten slotte zijn deze moleculen herhaaldelijk te schakelen.

In hun artikel presenteert het team, met onder meer Wiktor Szymanski van de RUG en Wybren Jan Buma van de UvA, het moleculaire mechanisme achter de fotochemie van azonium ionen. Met behulp van spectroscopie op een tijdsschaal van picoseconden tot seconden, kwantumchemische berekeningen en theoretische analyse laten zij zien hoe de absorptie van een foton het molecuul van vorm doet veranderen, hoe de uitwisseling van een proton met het oplosmiddel deze verandering stabiliseert, en hoe ten slotte de zuurgraad van de oplossing bepaalt hoe snel het molecuul na de lichtpuls weer de oorspronkelijke vorm aanneemt.

Deze analyse verklaart voor het eerst hoe het schakelgedrag van azonium moleculen verandert onder invloed van de zuurgraad. Het onderzoek laat ook zien hoe de azonium ionen zijn aan te passen om het gedrag van biomoleculen nog effectiever te kunnen beïnvloeden. Inmiddels zijn de eerste stappen gezet richting het daadwerkelijk toepassen van deze fotoschakelaars.