Molekylært stillads hjælper konstruktion på nanoskala

Hvis du vil bygge et højt hus, du skal bruge stillads. Professor Ye Zhang og kolleger ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) anvender dette konstruktionsprincip på deres laboratoriearbejde, med én stor forskel:Materialerne, de arbejder med, er blot nogle få milliardtedele kvadratmeter store.

Nanoskalakonstruktion er et felt inden for nanoteknologi, der bruger nanomaterialer som grundlæggende byggesten til at skabe materialer med specifikke egenskaber. I markens tidlige dage, forskere undersøgte potentialet i at bygge strukturer i nanoskala/mikroskala ved hjælp af enkelte molekylære komponenter. Nu, forskere er inspireret af den biologiske verden, som involverer en meget mere kompleks proces med interaktioner mellem mange forskellige komponenter.

I levende organismer, komplekse molekylære strukturer konstrueres og dekonstrueres konstant i løbet af organismens livscyklus. For eksempel, for at bevæge sig rundt i kroppen, celler skal interagere med deres ydre miljø, kendt som den ekstracellulære matrix (ECM). ECM er det naturlige fibrøse stillads, der giver strukturel og biokemisk støtte til de omgivende celler. For at skabe plads til sig selv at bevæge sig rundt, celler udskiller proteaseenzymer, som delvist fordøjer ECM. Omvendt molekyler i ECM kan også understøtte eller undertrykke processer i selve cellen.

Med inspiration fra de biologiske byggemetoder, der anvendes i celler og ECM, Bioinspired Soft Matter Unit, ledet af prof. Zhang, har designet og syntetiseret et værktøjssæt i nanoskala af molekyler, der kan interagere sammen for at samle komplekse molekylære strukturer. Deres arbejde blev for nylig udgivet i Angewandte Chemie International Edition .

Forskerne designet og syntetiserede to molekyler baseret på en duftende organisk kemisk forbindelse kaldet coumarin. Det ene er et peptidmolekyle, som selv samles til nanofibre. Disse samles for at danne et molekylært "stillads". Den anden er et benzoatmolekyle, som selv samler sig til arklignende nanostrukturer. Disse plader danner molekylære "mursten", som igen tager form som molekylære tårne. Når disse molekyler blandes sammen, de adskiller sig efter type, samler sig selv og interagerer derefter sammen for at bygge molekylstrukturer af højere orden.

Forskerne ændrede strukturen af ​​det molekylære stillads ved at bruge UV-lys eller et enzym til at spalte nanofibrene, hvilket gjorde det muligt for dem at manipulere højden af ​​det 'molekylære tårn'. De brugte scanningselektronmikroskoper på OIST til at observere strukturelle træk ved molekylerne, såsom lag og former. Derefter, med hjælp fra OIST-teknikere, de brugte atomkraftmikroskopi til at måle den nøjagtige højde af de molekylære tårne ​​i nanometer.

De viste, at det fibrøse peptidstillads regulerer højden og arkitekturen af ​​det molekylære tårn. Ved hjælp af dette stillads, som giver støtte gennem overfladeinteraktioner mellem nanostrukturerne, benzoatstenene kan danne højere strukturer. "Mens molekylstenene alene kan bygge tårne ​​på op til 100 nanometer, da vi tilføjede fiberen, de kunne bygge tårne ​​på op til 900 nanometer, "siger professor Zhang.

Ved at efterligne den molekylære selvsamlingsproces, der finder sted i levende organismer, kemikere kan lære nye metoder til kemisk syntese af nano/mikro-strukturer. I fremtiden, Bioinspired Soft Matter Unit håber at konstruere specifikke molekyler på biologiske membraner for at regulere celleskæbner. For eksempel, ved at bygge molekyler på cellemembraner, de håber på en dag at blive i stand til at manipulere den rumlige organisering af membranproteiner.