"Struktura DNA" - Co takiego namalował Dali?

   

  Na ten ciekawy przypadek natrafiłem przeglądając artykuły o twórczości Salvadora Dalego, jednego z moich ulubionych malarzy. Najszerzej znane jego dzieła, jak "Płonąca żyrafa" czy "Trwałość pamięci" pochodzą z początkowych lat kariery. Miał tę karierę jednak bardzo długą i w ostatnich dwóch dekadach zaczął tworzyć kolażowe zestawienia obiektów z różnych obiektów, czerpiąc inspirację z komercyjnych produktów, zdjęć, filmów. A także z wynalazków i osiągnięć nauki. Dali interesował się odkryciami naukowymi, korespondował z naukowcami i prenumerował czasopisma. Tematy związane z odkryciami i wynalazkami pojawiały się w obrazach z lat 70 i później, aż do końca jego życia, w tym też tematyka związana z odkryciami biologii i chemii [1]. Wśród tematów jakie szczególnie często go zastanawiały była fizyka jądrowa, nowoczesna matematyka i odkrycia biologii. Żywo zareagował na doniesienia o odkryciu struktury DNA, której regularna, helikalna symetria wyglądała fascynująco, mistycznie. Już w 1957 umieścił schemat podwójnej helisy na obrazie "Krajobraz motyli". Malarz miał zresztą okazję poznać Watsona, jednego z badaczy proponujących model DNA, więc temat nie był mu obcy. [2]

  Artykuły omawiające naukowe inspiracje artysty często jednym tchem wymieniają ten obraz wraz z późnym dziełem "Structure of DNA", będącym parą obrazów stereoskopowych, które według wielu opisów mają przedstawiać zgodnie z tytułem strukturę DNA. Poszukałem tych obrazów i dobrze się im przyjrzałem. Cóż, można wybaczyć krytykom sztuki, że wzięli tytuł za dobrą monetę, ale mnie jako chemikowi trudno nie zauważyć, że struktura na obrazach w niczym nie przypomina DNA.

  Para obrazów z 1975 roku zatytułowana "Structure of DNA" była stworzona z myślą o oglądaniu stereoskopowym. Należy spojrzeć na oba na raz tak, że jedno oko patrzy na jeden a drugie na drugi i oba nakładają się na siebie w przestrzeni. Można to osiągnąć patrząc przez odpowiednie okulary zakrzywiające obraz, oglądając zdjęcia w stereoskopie lub fotoplastikonie, ale zdecydowanie najczęściej ogląda się takie obrazy robiąc lekkiego zeza, tak aby półprzezroczysty obraz z jednej strony nałożył się na drugi, tworząc sumę, która jest odbierana jak obiekt 3D. 

  Tak więc przy odpowiednim spojrzeniu zaczniemy dostrzegać namalowane obiekty przestrzennie i zobaczymy, że najbliżej znajduje się czarna cząsteczka na dole, która jest skierowana ku nam trójdzielną grupą. W kolejnej warstwie są dwie, równoległe fioletowe (po lewej) lub żółte (po prawej), a nad nimi jedna biała/żółta. Jeden z atomów czarnej cząsteczki zostaje częściowo przesłonięty atomem jednej z fioletowej/żółtej, z kolei jeden z atomów górnej cząsteczki częściowo przesłania pierścień cząsteczki pod nim. Wszystko to tworzy ciekawą kompozycję przestrzenną. Tylko, że to nie ma za bardzo związku z DNA.

  Przekonanie, że te obrazy przedstawiają DNA zgodnie z ich tytułem jest chyba dość powszechne - pojawia się w krótkim liście zamieszczonym w publicystycznej części czasopisma The Nature z 2003 roku. [3] Jan Domaradzki w artykule z 2015 roku omawia przykłady biologicznych inspiracji Dalego i wymienia tam te obrazy, opisując je jako przedstawiające różnokolorową podwójną helisę.[4] No ciekawe gdzie on tam widzi helisy?  

  Na co właściwie patrzymy na obrazach? Są to modele cząsteczek związku chemicznego, a konkretnie są to cztery oddzielne cząsteczki, nie tworzące żadnej helisy, przedstawione na tle szkieletu sześcianu. Atomy mają zdeformowany kształt mniej lub bardziej wydłużonego jajka. Oznacza to, że jest to model wykorzystujący elipsoidy termiczne. 

Cząsteczka kompleksu samaru z pracy:
Inorganic Chemistry 2003 42 (21), 6682-6690

  Atomy w strukturze cząsteczki w krysztale ulegają drganiom termicznym, wpływa to na rozmycie przestrzenne sygnałów rejestrowanych metodami krystalografii. Można z tego rozmycia wydobyć informacje o tym jak bardzo atom drga w trzech prostopadłych kierunkach przestrzeni. Graficznym przedstawieniem tego zakresu drgań jest obła bryła będąca elipsoidą obrotową, a więc bryłą której przekrój jest eliptyczny wzdłuż, w poprzek i na płask. Kształt ten jest w różnych stylach rysowania podkreślany prostopadłymi liniami, lub wcięciem. Im mocniej drga atom w strukturze cząsteczki, tym bardziej wydłużona jest jego elipsoida. Atom wykonujący wiele złożonych drgań w trzech kierunkach przestrzeni jest w takim ujęciu większy od atomu bardziej statycznego. 

  Przedstawione cząsteczki nie przypominają żadnej ze składowych cząsteczki DNA, nie mogą stanowić jakiegoś bliskiego fragmentu tej struktury i jestem bardzo zdziwiony, że przez tyle lat nikt nie zwrócił na to uwagi.  Czym mogą być te cząsteczki? Nie są narysowane całkiem poprawnie, co wyjaśnię później, ale ogólne pierwsze wrażenie jest takie, że to mogło być wzorowane na rysunkach struktury krystalicznej para-ksylenu. 

  Pierścień w cząsteczkach ma sześciokątny kształt i jest płaski, co pasuje do aromatycznego pierścienia w p-ksylenie, jeśli w rysunku pominięto wodory przy pierścieniu. Pochodne cykloheksanu byłyby bardziej wygięte. Natomiast wygląd dwóch grup odstających od pierścienia pasuje do grup metylowych z pokazanymi pozycjami trzech wodorów. Dużo większe i wydłużone poprzecznie do dłuższej osi cząsteczki elipsoidy termiczne protonów to częsta cecha tych właśnie grup. To, że Dali mógł się wzorować na rysunkach tej właśnie  struktury nie jest niemożliwe, bo w jego czasach już taką ją opisano. Tylko może być ciężko to dowieść. 
  Pierwsza publikacja na temat struktury krystalicznej p-ksylenu pochodzi jeszcze z 1960 roku (Indian J. Phys.(1960), 34, 263-271 ), ale w 1986 ukazała się nowa analiza, wykazująca między innymi, że dane podane w tamtej starej publikacji są niepoprawne. Biorąc jednak pod uwagę czas wykonania obrazów, musiały opierać się na rysunkach struktury z tej starszej publikacji. [5] 

W nowszych publikacjach można znaleźć rysunki takiej struktury i sposób w jaki cząsteczki układają się w przestrzeni (na jodełkę) rzeczywiście bardzo przypomina strukturę Dalego. Jest to typowy układ dla prostych pochodnych benzenu wynikający z efektów magnetycznych pierścienia aromatycznego.

Crystal Growth & Design 2022, 22, 6, 3862-3869

  Z tym rozwiązaniem jest jednak ten problem, że Dali najwyraźniej przenosił rysunki struktury na obraz niedokładnie i ostateczny wynik zawiera dużo błędów. Najważniejsza kwestia jest taka, że pomimo sześciokątnego  kształtu pierścieni, te na obrazach składają się z ośmiu a nie sześciu atomów. Jednak pierścienie cząsteczek organicznych złożone z ośmiu atomów nie mogą być płaskie - cyklooktan układa się w przestrzeni w kształt łódeczki, jego annulen cyklooktatetraen jest antyaromatyczny i także wygina się przestrzennie. 

   Można by to zwalić na licencję artystyczną, ale mi to wygląda na błąd przerysowania lub na celowe zepsucie cząsteczki dla gęstszego układu. Niektóre inne zmiany mają uzasadnienie i są zamierzone - brak atomów wodoru przy pierścieniach zmniejsza nakładanie cząsteczek i poprawia rozróżnianie atomów. Dolna grupa metylowa górnej cząsteczki ma zaznaczony tylko jeden wodór, ten bliżej nas (biały owal na niebieskiej wersji), pozostałe zasłaniałyby cząsteczkę z tyłu. Jednak wycinanie nadmiarowych atomów nie do końca się powiodło, i tak na niebieskiej wersji grupa metylowa fioletowej cząsteczki po lewej ma towarzyszące jej cztery atomy zamiast trzech. Nadmiarowa elipsoida jest bliżej nas niż cząsteczka. Widać to dobrze porównując cząsteczkę lewą z prawą lub sprawdzając wygląd na wersji brązowej, gdzie tego dodatkowego atomu nie ma. Skąd się tam wziął? Z grupy metylowej górnej cząsteczki. 

  Na prawej, brązowej wersji obrazu widać dobrze, że grupa ta ma tam zaznaczony tylko jeden wodór, bliżej obserwatora. Na niebieskiej wersji zapewne też tak miało być, ale podczas uzupełniania wstępnego szkicu położenia cząsteczek doszło do błędu, i elipsoida atomu wodoru, który w drugiej wersji pominięto aby nie zasłaniał, w tej wersji została przypisana lewej cząsteczce i pokolorowana na fioletowo. Widać tą tożsamość gdy nałoży się na to miejsce będącą w tym samym położeniu grupę metylową czarnej cząsteczki poniżej.

Czemu więc po skrupulatnym oddaniu na płótnie struktury krystalicznej jakiegoś prostego związku organicznego, Dali zatytułował obrazy "Struktura DNA"? Możliwe, że takie było jego początkowe założenie, że namaluje naukową strukturę tego związku, ale okazała się zbyt skomplikowana więc wziął coś innego. A może uznał, że taki tytuł będzie brzmiał lepiej niż "Struktura kryształu niepoprawnie narysowanego para-ksylenu"?

Można gdybać. 

-------

[1] https://www.elespanol.com/ciencia/20180331/dali-genio-pintura-dejo-boquiabierto-severo-ochoa/295221428_0.html

[2] https://xn--archivoespaoldearte-53b.revistas.csic.es/index.php/aea/article/view/968/1001 

[3] https://www.researchgate.net/publication/10690668_Dali_and_the_double_helix

[4] https://www.researchgate.net/publication/290142479_DNA_jako_kod_kulturowy

[5] https://journals.iucr.org/paper?S0108768186097847

Kiedyś w laboratorium (84.)

 Krystalizacja aminokwasów metodą wiszącej kropli.

Aby przy pomocy krystalografii zbadać substancję, należy ją dobrze wykrystalizować. Ale to bywa czasem trudne - rozbudowane, asymetryczne cząsteczki trudno odnajdują jakiś porządek w trójwymiarowej sieci. Mogą wytrącać się jako osady amorficzne, niekiedy mają skłonność do tworzenia oleistych cieczy przechłodzonych. Czasem substancja może tworzyć warstewkę na powierzchni naczynia z powodu adhezji, lub koncentrować się wokół nierówności. Dlatego wymyślono wiele metod krystalizacji, które czasem pozwalają na otrzymanie nowej formy krystalicznej, jaka w innych warunkach nie powstaje.

W metodzie wiszącej kropli wykorzystywane są niewielkie objętości roztworu substancji, co jest korzystne, gdy mamy jej akurat bardzo niewiele. Wykorzystywane jest to w zasadzie proste zjawisko zatężenia roztworu przez odparowanie, ale szybkość procesu jest kontrolowana. 

Przygotujemy roztwór badanej substancji, na przykład białka, w rozpuszczalniku. Dla biomolekuł jest to zwykle któryś z buforów. Przy pomocy pipety umieszczamy kroplę na spodniej stronie nakrywki, tak aby z niej zwisała ale nie mogła skapnąć. Nakrywamy tym ostrożnie naczynka zawierające taki sam roztwór ale o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonych. Czyli na przykład na nakrywce jest roztwór białka w 0,1M buforze, a w naczynku bufor o stężeniu 0,5M. Po zamknięciu naczynka roztwory będą dążyły do pewnej równowagi - parowanie z mniej stężonego roztworu będzie bardziej intensywne, zaś ten bardziej stężony będzie w efekcie pochłaniał rozpuszczalnik i się rozcieńczał. W efekcie stężenie substancji w kropi będzie rosło, aż do przesycenia.

Ze względu na to, że powstające kryształy nie będą opadały na podłoże, co wynika z odwróconej pozycji, kryształ zawiesi się blisko spodniej powierzchni kropli. Ogranicza to zaburzenia wywołane oddziaływaniem kryształu z podłożem, jak na przykład spłaszczenie z powodu odcięcia jednej strony, która przylgnęła do dna. Odpowiednio dobierając różnice stężeń między roztworem w kropli i roztworem na dnie, można proces zatężenia przyspieszyć lub spowolnić, mogąc ustawić go tak, aby powstawał pojedynczy kryształ dostatecznej wielkości.

Ostatnio w laboratorium (55.)

Ostatnio w ramach specjalizacji z krystalografii próbowałem wykrystalizować i wstępnie zbadać kokryształ glicyna+kwas glutarowy. Akurat z samą krystalizacją nie było zbyt dużego problemu:

Kokryształy to kryształy tworzone przez równocześnie dwie lub więcej substancji tworzących powtarzalny układ w sieci. Zwykle precyzuje się, że różne cząsteczki oddziałują niejonowo, co odróżnia je od soli, oraz że obie substancje tworzą czyste kryształy w warunkach istnienia kokryształu, co odróżnia je od hydratów i części klatratów.
 Dla danego typu połączenia substancje składowe zachowują stały stosunek stechiometryczny, na przykład dla kryształu chinhydronu na jedną cząsteczkę hydrochinonu przypada jedna cząsteczka chinonu, z którym tworzy kompleks.

Zachodzenie kokrystalizacji może wynikać bądź z tworzenia nowej struktury, bądź z możliwości wpasowania się jednej, podobnej rozmiarami cząsteczki, w normalną sieć krystaliczną drugiego związku. Obecnie temat jest intensywnie badany na potrzeby farmaceutyki, bowiem kokryształy leków mogą być bardziej trwałe, trudniej topliwe lub wykazywać odmienną rozpuszczalność niż substancja czynna w formie czystej.[1]

W tym przypadku sposób otrzymania był prosty, lecz nie do końca pewny - rozpuściliśmy po prostu w wodzie glicynę i kwas glutarowy w stosunku molowym 1:1, nieco ogrzaliśmy dla odparowania aby otrzymać roztwór przesycony i wylaliśmy niewielką ilość na szklaną szalkę. Składniki wykrystalizowały w formie igiełkowatych kryształków i pozostawało tylko dobrać do badania odpowiedni, oraz trafić na kokryształ, bo kształtem nie wyróżniał się od kryształów glicyny i kwasu glutarowego które także mogły powstać.

Układ pomiarowy w dyfraktometrze: na końcu szklanej kapilary mały jasny punkcik to kryształ, z lewej strzela wiązka promieniowania, powyżej kamera pozwalająca wypośrodkować kryształ i oświetlenie. Po prawej obudowa detektora.

Pierwszy zbadany kryształek prawdopodobnie należał do poszukiwanego połączenia ale nie dawał sygnału odpowiedniej jakości aby to potwierdzić - był trochę za duży i oprószony drobniejszymi na powierzchni. Ze względu na rozmiar wiązki promieni rentgenowskich, kryształ powinien być mniejszy niż milimetr, oraz powinien być monokryształem bez spękań i przyrośniętych bliźniaków.

Należało więc poszukać następnego. Odpowiednio wyglądającą igłę przyciąłem manipulując pod mikroskopem pęsetą i skalpelem, aby nie była zbyt duża, i przykleiłem na kropelkę do kapilary na końcu główki goniometru. Tym razem szybkie sprawdzenie pokazało sygnał dość dobrej jakości, ale inny niż oczekiwany. Wyselekcjonowany kryształek okazał się glicyną w odmianie alfa.
Zostało mało czasu, więc wybrałem z szalki mały kryształek, którego nie trzeba było ciąć. Niestety podczas próby nałożenia złamała się szklana kapilara do której przyklejane były kryształy. Ostatecznie postanowiliśmy zaryzykować i kryształek został przyklejony do zachowanego kikuta, trochę grubego, ale jeszcze dostatecznego. Kryształ przykleił się krzywo a w dodatku obok przyczepił się czyjś włos. Nie wyglądało to dobrze:

Jednak wstępny pomiar pokazał, że kryształ jest bardzo dobrej jakości, bez zakłóceń, i ma inną grupę przestrzenną. Dzięki temu mogliśmy sprawdzić parametry komórki krystalicznej w bazie i stwierdzić że jest to... glicyna w formie beta.
Odmiana beta jest metastabilna w normalnych warunkach i zwykle szybko zamienia się w formę alfa. Na zajęciach ze studentami kilka miesięcy wcześniej żadnej grupie nie udało się jej uzyskać, a teraz jak na złość. Ponieważ kończył się czas, dalszą krystalizację odłożyliśmy do następnych zajęć.
----------
[1] http://biuletynfarmacji.wum.edu.pl/1305Sokal/Sokal.html