Monostrati organici supportati su nanoparticelle d' oro per catalisi e riconoscimento molecolare

Nel corso dei decenni le nanoparticelle dâ 'oro si sono dimostrate supporti estremamente attraenti per la realizzazione di sistemi ibridi inorganici-organici, sfruttando l' interazione stabile che si crea tra superfici d' oro e particolari classi di molecole organiche (come ammine, fosfonati o tioli) per formare monostrati autoassemblati.[1] Questo tipo di sistemi è stato sfruttato ampiamente per una vasta gamma di applicazioni, tra cui spicca la realizzazione di catalizzatori organici nano-supportati. La motivazione dietro lâ interesse verso le nanoparticelle d' oro per applicazioni catalitiche risiede nella versatilità  della realizzazione del monostrato, virtualmente applicabile ad ogni tipo di reazione catalizzata da molecole organiche, e dall' enorme rapporto superficie/volume dei colloidi d' oro.[2] In un recente lavoro di Prins et al.[3], impiegando un sistema catalitico ideato da Scrimin et al. per lâ idrolisi di fosfodiesteri[4], si utilizzano nanoparticelle d'oro di 2 nm di diametro che espongono complessi di 1,4,7-triazaciclononano-Zn(II) come effettori di uno strumento di sensing per enzimi proteolitici. Tale sistema si basa sullâ inibizione della reazione di transfosforilazione di HPNP (2-idrossipropil-4-nitrofenil fosfato) promossa dalle nanoparticelle ed osservabile per via spettrofotometrica seguendo la liberazione della molecola reporter p-nitrofenato, dovuta all' interazione tra la nanoparticella d' oro e oligopeptidi carichi negativamente. L'oligopeptide agisce nel doppio ruolo di inibitore della nanoparticella e di substrato enzimatico, regolando il sistema dipendentemente dalla presenza o meno di un enzima in grado di degradarlo in frammenti a carica inferiore che non inibiscono efficacemente la nanoparticella. Lâ interesse verso il perfezionamento di tale sistema ha spinto allo studio discusso in questo elaborato di tesi, utilizzando la catalisi della transfosforilazione di HPNP e la capacità  di interazione con oligoanioni come strumenti diagnostici di monostrati organici analoghi. Lo studio ha portato alla sintesi di tre building blocks organici, in cui il residuo tiolico e il macrociclo sono separati da catene alchiliche di diverse lunghezze (6, 9, 12 atomi di carbonio). In prima analisi viene discussa la sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle dâ oro passivate con i tre tioli (C6TACN, C9TACN, C12TACN), in cui si evidenziano poche differenze in termini qualitativi tra Au NPs C9TACN e Au NPs C12TACN. Au NPs C6TACN dimostrano un monostrato più¹ densamente popolato, probabilmente dovuto ad interazione laterali reciproche più efficenti tra i tioli all' interno del monostrato. La valutazione della catalisi dei tre sistemi sulla reazione modello ha evidenziato una similitudine tra Au NPs C9TACN e Au NPs C12TACN in termini di attività  catalitica (kcat) ed interazione con il substrato (KM), senza discostarsi in maniera rilevante dai sistemi studiati nei lavori precedenti, dotati di un tiolo più lungo.[5] Au NPs C6TACN, nonostante mantenga pressochè inalterato kcat rispetto ai due sistemi analoghi, presenta un KM di circa tre volte più elevato, indice di interazione più debole del sistema col substrato. Al fine di studiare il processo di binding tra nanoparticella e oligoanione in maniera più ampia si è ricorso allo studio dell' interazione delle nanoparticelle sintetizzate con oligoanioni fluorescenti, sfruttando il peculiare quenching della luminescenza mediato dai core d' oro per determinare la concentrazione di saturazione del monostrato.[6] L' utilizzo di un primo probe fluorescente (fATP), in cui l'interazione con la nanoparticella è mediato in larga misura da carica elettrostatica, ha evidenziato differenze minime tra i tre diversi campioni. Utilizzando un probe (MANT-AMP) in cui vi è un bilancio tra interazione elettrostatica (con la superfice del monostrato) ed idrofobica[7] (con la parte alchilica interna del monostrato) si sono evidenziate differenze sostanziali tra Au NPs C6TACN e Au NPs C9TACN. Tale esperimento è risultato in una assenza di quenching per Au NPs C12TACN, verificando l' avvenuto binding con un esperimento di displacement indipendente. Il fenomeno è ritenuto imputabile ad un orientamento sfavorevole al quenching del probe nel monostrato. Lavorando in assenza di Zn(II) e a pH nettamente basico al fine di mantenere il monostrato privo di carica, si è potuto osservare una totale assenza di interazione tra MANT-AMP e Au NPs C6TACN, confermando come la differente natura del monostrato giochi un ruolo nell' interazione con molecole organiche che va al di là  dell' interazione elettrostatica, riscontrabile anche nell'interazione con il substrato catalitico. Questo effetto, seppur sicuramente attribuibile a differenze nella struttura del building block componente il monostrato, può essere dovuto sia al diverso spessore del monostrato sia alla particolare densità  del monostrato stesso per Au NPs C6TACN. Le performances catalitiche e di binding per oligoanioni dei tre sistemi sono state testate in un arco di tempo di 4 mesi per stabilire quale sistema mantenesse tali parametri nel tempo, allo scopo di ottenere informazioni sulla stabilità  dei tre sistemi. Tutti i sistemi si sono rivelati relativamente ben stabili nel tempo, senza dimostrare aggregazione o deterioramento consistente dei parametri osservati. Au NPs C9TACN, contrariamente ai sistemi analoghi, non ha dimostrato alcuna variazione apprezzabile nei valori osservati, confermandosi il sistema più robusto. In ultima analisi è stato preso in considerazione il ruolo delle dimensioni della nanoparticella nell' evento catalitico. La sintesi e caratterizzazione di un sistema composto da nanoparticelle di 13 nm di diametro e passivato da tiolo C9TACN ha permesso di confrontarne le performance catalitiche con quelle del sistema analogo utilizzato nello studio precedente. I risultati dimostrano come il sistema sia ancora cataliticamente attivo, con un netto peggioramento dell'attività  catalitica e del binding del substrato rispetto all'analogo supportato su nanoparticelle di diametro 2 nm. Questi risultati possono essere imputati alla mancanza di " hot spot" catalitici presenti in nanoparticelle piccole e con curvature accentuate.