Selvsamlet kunstig mikrotubuli som LEGO byggeklodser

Simple LEGO klodser kan samles til mere komplicerede strukturer, som yderligere kan associeres til en bred vifte af komplekse arkitekturer, fra biler, raketter, og skibe til gigantiske slotte og forlystelsesparker. Sådan en begivenhed med montering i flere trin, såkaldt 'hierarkisk selvsamling, ' sker også i levende organismer.

Professor Kimoon Kim (Kemisk Institut, POSTECH) og hans forskerhold (Center for Self-assembly and Complexity, Institute for Basic Science) opdagede, at et cucurbituril-baseret vært-gæstekompleks polymeriserede til en lineær polymerkæde, som yderligere var forbundet med hinanden til et hult mikrotubuli via van der Waals-interaktioner, der opstod fra deres form-selv-komplementaritet. Deres nye resultater introduceres som breaking news i Angewandte Chemie International Edition , som er et af verdens anerkendte tidsskrifter inden for kemi.

Mikrotubuli findes i levende celler fra planter og dyr, og de er essentielle for at opretholde cellulære strukturer, migration af celler, intracellulær transport og mere. Med andre ord, essentielle cellulære funktioner såsom celledeling og intracellulær transport kan ikke udføres, når der opstår problemer med dannelse eller dissociation af mikrotubuli.

Disse mikrotubuli dannes via hierarkisk selvsamling af kugleformede proteiner i nanometerstørrelse tubuliner, som vokser til lineære protofilamenter. Efterfølgende disse protofilamenter er samlet for at bygge en flerstrenget rørformet struktur med en længde på over ti mikrometer.

Før forskernes resultater, der blev gjort mange forsøg på at efterligne selvsamlingen af ​​mikrotubuli i dybden i årevis. Imidlertid, dannelsesmekanismen for naturlige mikrotubuli på molekylært niveau er stadig tvetydig.

For at lave kunstige mikrotubuli, forskergruppen brugte det cucurbituril-baserede vært-gæstekompleks med to thiolgrupper knyttet i begge ender som en byggesten. Denne byggesten blev samlet til endimensionelle lineære polymerer ved disulfidbindingsdannelse. Derefter, disse polymerer blev lateralt forbundet til en hul cylindrisk arkitektur svarende til naturlige mikrotubuli gennem van der Waals-interaktioner. Dannelsen af ​​kunstige mikrotubuli blev karakteriseret ved forskellige spektroskopiske og mikroskopiske undersøgelser, herunder røntgendiffraktion ved Pohang lyskilde.

Forskerholdet fandt ud af, at polymerkæden blev lige og stiv af sig selv, og til sidst opstod LEGO klodslignende form selvkomplementaritet under væksten af ​​polymer. Påfaldende nok, de konvekse strukturer af en kæde passede godt til de konkave dele af de tilstødende kæder, hvilket tillod lateral association af polymerkæder.

Den første forfatter til avisen, Wooseup Hwang forklarede, "Undersøgelser før vores opdagelse var fokuseret på at efterligne mikrotubuliernes arkitektur. Det, der adskiller vores forskning fra de konventionelle, er, at vi forsøger at efterligne mikrotubuliernes dannelsesmekanisme såvel som arkitektur."

Dr. Kangkyun Baek, den anden medkorresponderende forfatter kommenterede, "Vi planlægger at udvide vores undersøgelse til at efterligne dynamisk adfærd og forskellige biologiske funktioner af naturlige mikrotubuli, " og "Denne nye tilgang baseret på formens selvkomplementaritet vil gøre et skridt fremad for at forstå dannelsesmekanismen for naturlige mikrotubuli og tilbyde nye muligheder for at udforske ukonventionelle hierarkiske selvsamlinger og nye funktionelle materialer."