Koralformede nanopartikler bygget af design ved hjælp af konstruerede peptoider

Forskere har længe arbejdet på at løse en stor udfordring inden for syntesevidenskab:at designe og syntetisere bio-inspirerede funktionelle materialer, der konkurrerer med dem, der findes i biologi. Hvis vi kan lære at efterligne in vivo-funktioner af naturlige proteiner - såsom hvordan biomolekyler (f.eks. proteiner) og uorganiske salte interagerer for at danne tænder, knogler, eller skalmineraler - forskere kan muligvis anvende opdagelsen til at producere meget komplekse, designbare, hybridmaterialer til energirelaterede anvendelser.

I et papir for nylig offentliggjort i Naturkommunikation , Chun-Long Chen, en materialeforsker ved Pacific Northwest National Laboratory, beskrev, hvordan hans tværfaglige team søgte at forstå og udnytte den komplekse funktionalitet af hierarkisk stof og forudsige dens form og funktion. Holdet designede omhyggeligt peptoider, typer af sekvensdefinerede syntetiske molekyler, at kontrollere dannelsen af ​​sfæriske koralformede guldnanopartikler. De søgte også at forstå, hvordan peptoidmolekylet fungerer under partikeldannelse, hvordan peptoider interagerer med hinanden, og hvordan de binder sig til guldets overflade. Langs vejen, de opdagede, hvordan disse mekanistiske undersøgelser kan skrive reglerne for design af peptoider til forudsigelig materialesyntese.

"Processen var fascinerende, " sagde Chen. "Kontrollerer nukleationen, vækstkinetik, og morfologi af nanostrukturerede uorganiske materialer med sekvensdefinerede molekyler til bevidst at producere disse sfæriske koralformede nanostrukturer gav os tillid til, at andre former kunne opnås ved hjælp af lignende metoder."

Deres arbejde førte til en vigtig bedrift inden for materialesyntese:udviklingen af ​​en tommelfingerregel til at designe peptoider, der muliggør forudsigelig syntese af koralformede guldnanopartikler. Disse individuelle guldpartikler udviser en plasmonisk forbedring så høj som 10 ⁵ folde.

Mens naturlige organismer laver en bred vifte af udsøgt komplekse, nano-, mikro-, og funktionelle materialer i makroskala ved høje udbytter på en energieffektiv og meget reproducerbar måde, alt under ret milde vandige syntetiske forhold, at opnå en sådan præcis kontrol over nanopartikelmorfologi er udfordrende. At kunne gøre det er vigtigt for fremtidige teknologiske anvendelser af nanopartikler. Niveauet af kontrol og kompleksitet af nanostrukturerne i denne særlige undersøgelse skiller sig ud og, som Chen bemærker, skubber os tættere på forudsigelse, bio-inspireret, materiale syntese.

Holdets peptoid-baserede, biomimetrisk tilgang genererer komplekse, funktionelle nanomaterialer under milde vandige syntetiske betingelser; forskere, der studerer syntesen af ​​hybridmaterialer til energirelaterede anvendelser (f.eks. solenergi eller batteriapplikationer) ville sandsynligvis finde dem af interesse.

At opnå den forudsigelige syntese af uorganiske nanomaterialer er en langvarig udfordring. Hvis videnskabsmænd kan udvikle reglerne for præcis kontrol af materialers morfologi - som naturen gør under biomineraldannelse - kan de bruge disse bioinspirerede tilgange til at producere meget komplekse, designbare, hybridmaterialer på en rationel eller endda forudsigelig måde til energirelaterede anvendelser.

I fortiden, mange forskere har brugt biomolekyler - især proteiner og peptider - til at udvikle måder til at kontrollere dannelsen af ​​nanomaterialer, men reglerne for design af molekyler, der fører til dannelsen af ​​materialer med forudsigelige morfologier, er stadig ukendte. I dette studie, Chen og hans team besluttede at bruge peptoider til at kontrollere dannelsen af ​​guld nanomaterialer. De brugte specifikt peptoider (i stedet for proteiner og peptider) af tre grunde:peptoider har ikke den iboende kompleksitet forårsaget af rygradsfoldning, peptoider har lignende eller endnu større variationer af sidekæder, og peptoider har højere kemiske og termiske stabiliteter.

Holdet forestillede sig, at det høje informationsindhold i peptoidmolekyler ville give dem kontrol over materialedannelsen og ville afsløre reglerne bag dannelsesprocessen.

"Succesen med denne forskning er et smukt eksempel på teamwork, " sagde Chen.

Holdets papir, udgivet i Naturkommunikation som "Kontrolleret syntese af højt forgrenede plasmoniske guldnanopartikler gennem peptoid engineering, " beskriver det teamwork i detaljer. Trin omfattede design og syntetisering af peptoider med rationelle modifikationer af deres kemi; brug af avanceret væskecelletransmissionselektronmikroskopi (TEM) til at observere, hvordan partiklerne dannes, vedhæfte, og flette sammen til klynger af nanorods i realtid; ved hjælp af molekylær dynamik simuleringer til at vise, hvordan peptoid molekyler med variabel kemi interagerer med guld; og ved at bruge time-of-flight sekundær ion massespektrometri og røntgen fotoelektron spektroskopi teknikker til eksperimentelt at bekræfte de beregningsmæssige forudsigelser.

Gennem disse mekanistiske undersøgelser, holdet fik en klar forståelse af peptoid-kontrolleret koralformet guld nanopartikeldannelse. Dette hjalp dem med at udvikle en tommelfingerregel til at designe peptoider, der forudsigeligt muliggjorde den morfologiske udvikling fra sfæriske til koralformede nanopartikler. Holdet fandt også, at de individuelle koralformede guldnanopartikler udviste en plasmonisk forbedring så høj som 105 gange, og de var i stand til at udvide denne peptoid-baserede tilgang til kontrolleret syntese af andre koralformede nanopartikler, fremhæver dets brede anvendelighed.

At opnå et højt niveau af regulering over morfologi - set når biomineraldannelse styres af proteiner og peptider - er stadig en betydelig udfordring, og reglerne for biokontrolleret dannelse af nanomaterialer forbliver ukendte. Bygger på deres succes med at skelne reglerne for fremstilling af koralformede nanopartikler, Chen og hans team har nye former i tankerne. De arbejder i øjeblikket på at opnå en lignende forståelse af den peptoid-kontrollerede dannelse af andre morfologier, inklusive femtakkede stjerneformede guldnanopartikler og arklignende sølvnanopartikelsamlinger. Han forventer, at denne peptoid-baserede tilgang kan føre til skabelsen af ​​en bred vifte af komplekse morfologier og i sidste ende vil være nyttig til at udvikle en forudsigelig syntese af nanomaterialer, der har komplekse morfologier og programmerbare funktioner.