Organization and signal regulation in complex chemical systems

La chimica supramolecolare è definita come la chimica del legame non covalente, ovvero la chimica di tutti quei processi chimici che dipendono da interazioni non-covalenti tra molecole. Negli ultimi decenni, i chimici hanno imparato a sfruttare le interazioni non covalenti nello sviluppo di sensori, catalizzatori e materiali. In particolare, l'autoassemblaggio, definito come l'organizzazione spontanea di piccole molecole in una struttura ben definita, si è dimostrato essere il modo più conveniente per preparare architetture molecolari molto complesse e di dimensioni nanometriche. In questa Tesi, l'auto-assemblaggio di piccole molecole sulla superficie di nanoparticelle d'oro funzionalizzate (Au NPs) è usato come approccio per la realizzazione di sistemi chimici complessi, senza l'ausilio di complicate vie di sintesi. Le Au NPs svolgono un ruolo fondamentale, in quanto forniscono una robusta superficie polivalente per il legame con molecole esterne. Le caratteristiche uniche delle Au NPs, quali la stabilità, la biocompatibilità, la facilità di preparazione e le proprietà optoelettroniche, hanno portato ad una loro larga diffusione. Le Au NPs utilizzate in questa Tesi sono ricoperte da un monostrato organico composto da tioli la cui unità periferica è un legante (1,4,7-triazaciclononano) in grado di complessare ioni metallici come lo Zn2+. La superficie cationica multivalente che ne deriva fornisce un'ottima piattaforma per il legame di piccole molecole anioniche (per esempio peptidi e nucleotidi). Nella prima parte di questa Tesi, l'attenzione è stata focalizzata sulla comprensione delle interazioni che guidano l'auto-assemblaggio di piccoli oliogoanioni sulla superficie del monostrato. Questo processo è stato studiato mediante spettroscopia di fluorescenza, sfruttando le note capacità dei cluster d'oro di spegnere la fluorescenza di fluorofori ad essi legati. Da questi studi è emerso che l'alta affinità è determinata i) dal numero di cariche negative dell'oligoanione, ii) dalla natura chimica dei gruppi anionici e iii) dalla presenza di porzioni idrofobiche in grado di penetrare nella parte apolare del monostrato. Questi studi hanno inoltre dimostrato che gli ioni metallici nel monostrato sono in grado di regolare il processo di auto-assemblaggio. È stato dimostrato che la valenza del sistema auto-assemblato, ovvero il numero di molecole legate, può essere controllata con precisione in modo reversibile attraverso l'aggiunta e la rimozione di Zn2+. La capacità di controllare il processo di auto-assemblaggio è stato confermato dimostrando come due oligoanioni differenti, aventi lo stesso numero di cariche negative ma diversi gruppi anionici (fosfato vs carbossilato), siano capaci di auto-organizzarsi spontaneamente sulla superficie di due monostrati differenti, creando due domini topologici in un sistema omogeneo. Nella seconda parte della Tesi, la conoscenza acquisita è stata utilizzata per lo sviluppo di sensori supramolecolari atti alla rivelazione di piccole molecole ed enzimi. Attraverso l'auto-assemblaggio di più indicatori di fluorescenza sulla superficie di un unico monostrato è stato possibile realizzare una superficie in grado di generare segnali specifici in risposta all'aggiunta di otto diversi nucleotidi. La capacità del sistema di discriminare tra ATP e ADP è stata poi fruttata per lo sviluppo di un saggio per protein-chinasi, basato sul monitoraggio della conversione ATP→ADP. Al fine di migliorare la sensibilità di questo saggio, è stato successivamente sviluppato un sistema alternativo, in cui la conversione ATP→ADP porta all'attivazione dell'attività catalitica delle Au NPs. Anche in questo caso, gli ioni Zn2+ presenti nel monostrato giocano un ruolo cruciale, formando dei siti catalitici in grado di catalizzare una reazione cromogena e quindi di generare un segnale rilevabile. Nel capitolo finale, questi concetti sono stati usati per sviluppare un sistema dissipativo in grado di generare un segnale transiente, la cui durata dipende dalla quantità di ATP aggiunto al sistema. Quest'ultima metodologia fornisce un modo semplice per controllare processi supramolecolari a livello temporale, mostrando importanti analogie proprie dei sistemi naturali.