Kemikere krystalliserer ny tilgang til materialevidenskab

Et hold af kemikere ved University of California San Diego udførte banebrydende forskning inden for materialevidenskab - et felt, hvor kemien ofte giver information om materialers struktur og sammensætning, samt processerne for fremstilling og brug af dem. Målet er at skabe nye materialer - fra metaller og gummi til belægninger og krystaller.

Forskere i Institut for Kemi og Biokemi opnåede dette mål ved at blande usandsynlige materialer sammen for at skabe en ny hybrid form for krystallinsk stof, der kunne ændre praksis inden for materialevidenskab. Fundene, udgivet i Natur , præsentere potentielle fordele for medicin og medicinalindustrien.

Ling Zhang, Jake Bailey og Rohit Subramanian, alle ph.d. kandidater, der studerer under professor Akif Tezcan, kombineret proteinkrystaller med syntetiske polymerer for at skabe de nye hybridmaterialer.

"Den kemiske integration af to så forskellige stoffer giver anledning til en ny form for stof, der fuldstændigt omgår den grundlæggende begrænsning, at ordnede stoffer er sprøde og ufleksible, og fleksible materialer er blottet for orden, " forklarede Tezcan, der driver Tezcan Lab ved UC San Diego.

Krystaller er arrays af atomer eller molekyler, der periodisk er ordnet i tredimensionelt rum gennem specifikke interaktioner. Fordi disse interaktioner holder de tilstødende bestanddele i et unikt arrangement, krystaller - som saltkorn, for eksempel – kan ikke bøje eller udvide. I stedet, hvis ramt af en stump kraft, de splintres i stykker, som ikke kan samles igen. Forskerne omgik disse grundlæggende begrænsninger ved at infundere proteinkrystaller med et netværk af hydrogelpolymerer, som i det væsentlige er floppy, klæbrige kæder, der danner en form-hukommelsesskimmel omkring proteinmolekylerne. Denne form gør det muligt for proteinkrystallerne at hele sig selv, når de revner, samt at udvide (nogle gange med op til 500 procent i volumen) og trække sig sammen uden at miste deres krystallinitet. Faktisk, UC San Diego-forskerne observerede, at i nogle tilfælde steg rækkefølgen af ​​proteinmolekylerne på atomniveau ved udvidelse og sammentrækning. Den øgede orden gjorde det muligt for forskerne at bruge røntgenstråling til at opnå strukturer med højere opløsning end nogensinde er observeret for et protein kaldet ferritin (produceret i en række organismer til lagring af jern).

Ifølge Tezcan, disse resultater giver løfte om generelt at bruge strategien til at forbedre røntgenkrystallografien af ​​proteiner, den dominerende metode til at undersøge de atomare strukturer og funktioner. Krystal-hydrogel-hybriderne giver også en plan for fremstilling af både hårde og stærke materialer, der kan modstå brud. Hvad mere er, disse materialers evne til at udvide sig og trække sig sammen kan måske bruges til sikkert at opbevare store biologiske midler som antistoffer og nukleinsyrer, og derefter at frigive dem på ønskede steder i kroppen til terapeutiske formål.

"Disse materialer kombinerer unikt den strukturelle rækkefølge og periodicitet af molekylære krystaller, syntetiske polymerers tilpasningsevne og afstembare mekaniske egenskaber, og den kemiske alsidighed af proteinbyggesten, " sagde Tezcan. "Den mest underholdende del ved dette arbejde var, hvordan det kombinerede forskellige discipliner og teknikker på uforudsete måder for at skabe nye forskningsretninger."