Forskere kan nu forudsige egenskaber af uordnede polymerer

Takket være et team af forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign og University of Massachusetts Amherst, forskere er i stand til at læse mønstre på lange kæder af molekyler for at forstå og forudsige adfærd af uordnede strenge af proteiner og polymerer. Resultaterne kunne, blandt andet, bane vejen for at udvikle nye materialer fra syntetiske polymerer.

Charles Sings laboratorium, assisterende professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Illinois, givet teorien bag opdagelsen, som derefter blev verificeret gennem eksperimenter udført i laboratoriet af Sarah Perry, assisterende professor i kemiteknik ved UMass Amherst, og alumna i Illinois. Samarbejdspartnerne detaljerede deres resultater i et papir med titlen "Designing Electrostatic Interactions via Polyelectrolyte Monomer Sequence" offentliggjort i ACS (American Chemical Society) Central Science .

Kollegerne satte sig for at forstå fysikken bag den præcise rækkefølge af ladede monomerer langs kæden, og hvordan det påvirker polymerens evne til at skabe selvsamlende flydende materialer kaldet komplekse coacervater.

"Det, som jeg synes er spændende ved dette arbejde, er, at vi henter inspiration fra et biologisk system, " sagde Sing. "Det typiske billede af et protein viser, at det foldes til en meget præcis struktur. Dette system, imidlertid, er baseret på iboende forstyrrede proteiner."

Dette papir bygger på tidligere resultater fra Perry and Sing fra 2017, som i sidste ende har til formål at hjælpe med at fremme smart materialedesign.

"Vores tidligere papir viste, at disse sekvenser betyder noget, denne viser hvorfor de betyder noget, "Sing forklaret. "Den første viste, at forskellige sekvenser giver forskellige egenskaber i kompleks coacervering. Det, vi er i stand til nu, er at bruge en teori til faktisk at forudsige, hvorfor de opfører sig på denne måde."

I modsætning til strukturerede proteiner, som interagerer med meget specifikke bindingspartnere, det gør de fleste syntetiske polymerer ikke.

"De er mere uklare, fordi de vil reagere med en lang række molekyler i deres omgivelser, "Sing forklarede.

De fandt ud af, at på trods af dette faktum, den præcise rækkefølge af monomererne langs et protein (aminosyrerne) gør virkelig en forskel.

"Det har været indlysende for biofysikere, at sekvensen gør en stor forskel, hvis de danner en meget præcis struktur, " sagde Sing. "Som det viser sig, det gør også en stor forskel, hvis de danner upræcise strukturer."

Selv ustrukturerede proteiner har en præcision forbundet med dem. Monomerer, byggestenene i komplekse molekyler, er led til kæden. Hvad Sings gruppe teoretiserede er, at ved at kende rækkefølgen af ​​polymerer og monomerer og ladningen (positiv, negativ eller neutral) forbundet med dem, man kan forudsige de komplekse molekylers fysiske egenskaber.

"Mens forskere har vidst, at hvis de sætter forskellige ladninger forskellige steder i et af disse iboende forstyrrede proteiner, de faktiske termodynamiske egenskaber ændrer sig, " sagde Sing.

"Det, vi er i stand til at vise, er, at du faktisk kan ændre styrken af ​​dette ved at ændre det på sekvensen meget specifikt. Der er tilfælde her, at ved at ændre sekvensen med blot en enkelt monomer (et enkelt led i den kæde), det kan drastisk ændre, hvordan disse ting er i stand til at dannes. Vi har også bevist, at vi kan forudsige resultatet."

Sing tilføjer, at denne information er værdifuld for biofysikere, både bioingeniører og materialeforskere. Denne opdagelse vil hjælpe ingeniører med at forstå en bred klasse af proteiner og justere proteiner for at ændre deres adfærd. Det giver dem en ny måde at sætte information ind i molekyler til at bygge nye materialer og give et bedre bud på, hvordan disse egenskaber opfører sig.

Materialeforskere kan, for eksempel, bruge denne information til at have et niveau af kontrol over et materiale for at få det til at samle sig i meget komplicerede strukturer eller lave membraner, der præcist filtrerer forurenende stoffer fra i vand. Deres håb er, at videnskabsmænd, inspireret af biopolymerer, kan tage denne evne til at forudsige den fysiske adfærd blot ved at læse sekvensen for i sidste ende at designe nye smarte materialer på denne måde.

"Dette bringer i en vis forstand biologi og syntetiske polymerer tættere på hinanden, " sagde Sing. "F.eks. i sidste ende, der er ikke den store forskel i kemien mellem proteiner og nylon. Biologi bruger denne information til at instruere, hvordan livet opstår. Hvis du kan indsætte identifikation af disse forskellige links specifikt, det er værdifuld information til en række andre applikationer."