Mod nye databehandlings- og svindeldetektionsteknologier med on-demand polymerer

Henter inspiration fra naturen, forskere laver polymerer med stadig mere præcise sammensætninger efter behov. Ved at bruge flertrins synteseværktøjer hentet fra biologi, biokemi og organisk syntese, en gruppe rapporterer, at den udvikler syntetiske polymerer med ultrahøj præcision med præcist kontrollerede kædelængder og monomersekvenser. De resulterende informationsholdige makromolekyler kan implementeres til datalagring, teknologier til bekæmpelse af varemærkeforfalskning og sporbarhed.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) National Meeting &Exposition foråret 2019.

"Der er grundlæggende to typer polymerer, siger Jean-François Lutz, Ph.D. "En type er plastik, som er lavet af mennesker. Den anden type kaldes en biopolymer, og det er et meget mere defineret molekyle. Faktisk, mennesker er for det meste konstrueret med polymerer - DNA og proteiner."

Konventionelle kemiske fremstillingsteknikker kan producere polymerer med uregelmæssige længder og sekvenser. Men, Lutz bemærker, naturen er mere præcis. Der er en enorm forskel i strukturel kvalitet mellem menneskeskabte og biologiske polymerer, forklarer han. "Formålet med vores arbejde er at udfylde hullet - at lave syntetiske polymerer ved hjælp af biologisk inspiration."

Generelt, sekvenskontrollerede polymerer kan konstrueres enten ved kædevækst- eller trinvækstpolymerisationer. Begge tilgange kan opnå polymerkæder af forskellig længde. Imidlertid, når forskellige monomerer kombineres til polymerer, de vil variere i kæde-til-kæde sammensætning og sekvens. Sådanne polymerer er ikke ideelle til applikationer, såsom kodning, hvor en præcis, ensartet struktur er nødvendig.

Lutz og hans gruppe ved Institut Charles Sadron har arbejdet på at bygge syntetiske molekyler med samme præcision og ensartethed som biologiske makromolekyler. "Vi fik den første inspiration fra DNA, som er en polymer lavet med fire monomerer:adenin, thymin, guanin og cytosin, " siger Lutz. "Selvom DNA er en polymer, der koder for netop den information, der gør os til mennesker - en vigtig præstation - er det virkelig ikke den bedste struktur til mange andre ting. Vi tænkte, at vi måske kunne lave en polymer, der er lige så informationsrig, men forbedre strukturen, så den kan bruges til en række forskellige applikationer."

Gruppen konstruerer sine syntetiske polymerer med fuldt kontrollerede primære strukturer ved hjælp af fastfase iterativ kemi, en proces, der oprindeligt blev udviklet til at lave peptider, eller korte stykker proteiner. I de sidste par år, holdet har lavet præcist skræddersyede polymerer til datalagringsapplikationer. I disse polymerer hver monomer eller underenhed står for et specifikt stykke information. Indtil nu, forskerne har skabt små datalagringsenheder lavet af lagdelte sekvenskodede polymerer. For nylig, de har også studeret krystallisationen af ​​kodede syntetiske polymerer og observeret, at de molekylære bits, de indeholder, optager meget mindre volumener end nukleotiderne i DNA. "Abiotiske sekvenskodede polymerer er nu langt over proof-of-concept, " siger Lutz. "Vi var den første gruppe. Nu er det en trend eller et område inden for polymerkemi."

Lutz mener, at inden for de næste 10 år, hans gruppe vil bringe teknologier til bekæmpelse af forfalskning og sporbarhed ved hjælp af deres præcist skræddersyede polymerer på markedet. Forfalskning af medicinsk udstyr er et betydeligt problem. Verdenssundhedsorganisationen vurderer, at mere end otte procent af det medicinske udstyr i omløb er forfalskede. Lutz' gruppe bygger og indsætter sekvensdefinerede polymerer i medicinsk udstyr som okulære implantater. Polymererne kan ekstraheres senere og identificeres ved tandem massespektroskopi.

"Når du kan gemme kode i et molekyle, du kan forestille dig, at du med et enkelt molekyle kan skrive noget, såsom navnet på en virksomhed, et batchnummer eller produktionsdato, " siger Lutz. "Du har et molekyle, som du direkte kan blande med forskellige materialer, såsom plast eller keramik. Vi kunne sætte molekylet på skærmen på en smartphone, et medicinsk udstyr eller et implantat i kroppen. Vi kunne endda putte den i en dyr luksustaske."