A new cholesterol-functionalized azobenzene as photoswitch : synthesis and spectroscopic characterization

The photoisomerization of azobenzenes has been known for almost 75 years, but it is only recently that it has been widely investigated as a tool to regulate the activity of biological systems. Intramembrane mechanical photoswitches are an emerging paradigm in vision restoration. When properly designed, they spontaneously partition into the cell membrane, acting as light-triggered nano-actuators and inducing cell stimulation upon irradiation. Early experiments of this novel non-invasive approach are promising. However, intramembrane partitioning during time remains an issue, as the efficacy remarkably reduces at seven days, which is a too short time for a possible therapy. Considering that cholesterol is one of the main components of animal cell membranes, consisting of approximately 30% of the lipid bilayer, a cholesterol-functionalized azobenzene has been synthesized to enhance the longevity inside the membrane environment. A model material has been synthesized, consisting of two structural domains, namely an azobenzene moiety, which imparts photochromic properties, and cholesterol, whose derivatives often lead to mesophases. For this reason, in the thesis project, a combined spectroscopic and calorimetric analysis was carried out. Absorption and photoluminescence measurements were performed, both for the molecule and its precursor, in different solvents and concentrations. The isomerization mechanism was investigated, both for trans-to-cis photoisomerization and cis-to-trans thermal relaxation, highlighting the influence of solute-solvent interactions on the kinetic behaviour. Differential Scanning Calorimetry analysis has suggested the presence of mesophases. Therefore, the transitions have been further investigated through Fourier-transform Infrared Spectroscopy at different temperatures, to monitor the structural evolution of the system.

La fotoisomerizzazione degli azobenzeni è nota da quasi 75 anni, ma solo recentemente è stata studiata come strumento per regolare l'attività dei sistemi biologici. Quello dei fotointerruttori intra-membrana è un paradigma emergente nel ripristino della vista. Se opportunamente progettati, possono localizzarsi spontaneamente all’interno della membrana cellulare, agendo come nano-attuatori, stimolando i segnali elettrici delle cellule quando illuminati. I primi risultati di questo approccio sono promettenti, ma la localizzazione delle molecole in membrana evolve nel tempo riducendo l'efficacia in soli sette giorni. Questo ne impedisce una reale applicazione in terapie mediche. Considerando che il colesterolo è uno dei componenti principali della membrana cellulare negli animali, costituendo circa il 30% del doppio strato lipidico, è stato sintetizzato un azobenzene funzionalizzato con colesterolo, nel tentativo di aumentarne la longevità all'interno dell'ambiente di membrana. La molecola è costituita da due parti principali: un azobenzene, caratterizzato da proprietà fotocromatiche, e il colesterolo, i cui derivati mostrano spesso mesofasi. Per questa ragione, nel progetto di tesi sono state effettuate analisi spettroscopiche e calorimetriche. Sono state eseguite delle misure di assorbimento ed emissione, per la molecola e il suo precursore, in diversi solventi e concentrazioni. Il meccanismo di isomerizzazione è stato investigato sia per la fotoisomerizzazione trans-cis che per il rilassamento termico cis-trans, sottolineando l’influenza delle interazioni fra soluto e solvente nella cinetica di isomerizzazione. L’analisi mediante calorimetria a scansione differenziale ha suggerito la presenza di mesofasi. Per questa ragione, le diverse transizioni sono state studiate mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, in modo da osservare l’evoluzione strutturale del sistema.