Forskere konstruerer den første syntetiske DNA-lignende polymer nogensinde

Dobbeltspiralformede kovalente polymerer - som er spiralformede samlinger af naturens byggesten - er fundamentale for selve livet, og stadigvæk, trods årtiers forskning, videnskabsmænd har aldrig været i stand til at syntetisere dem i deres helhed som deres ikke-spiralformede brødre – indtil nu.

Videnskabsmænd, ledet af et hold ved University of Colorado Boulder, har knækket koden, at skabe syntetiske versioner af disse store DNA-lignende molekyler for første gang. Ved hjælp af dynamisk kovalent kemi, som er et kemiværktøj udviklet af disse forskere, der fokuserer på reversible bindingsinteraktioner med selvkorrektionsevner, de var i stand til ikke blot at konstruere en spiralformet kovalent polymer, der konkurrerer med sofistikeringen af ​​dem, der findes i naturen, men bekræfter dens eksistens med absolut sikkerhed ved hjælp af enkeltkrystal røntgendiffraktion (en kraftig, ikke-destruktiv måde at karakterisere enkeltkrystaller ved hjælp af lys).

Tidligere, videnskabsmænd har kun været i stand til at løse enkelte dele af puslespillet. Denne nye opdagelse udkom i sidste uge Naturkemi , selvom, fuldender det, potentielt åbner dette kritiske og understuderede felt for ny forskning, der kan have implikationer på alt fra fremstilling af kunstige enzymer, som allerede har fundet succes i forskellige medicinske anvendelser, til skabelsen af ​​biomimetiske materialer (materialer, der efterligner processer, der findes i naturen).

"Folk kan meget sjældent se, hvad der virkelig foregår i syntetiske polymerer med hensyn til atoms rumlige placeringer, inter-kæde interaktioner, hvordan de binder sig, hvordan de snor sig og snor sig på atomniveau, " sagde Wei Zhang, en forfatter om undersøgelsen og en professor i kemi ved CU Boulder. "Med enkeltkrystaller, selvom, vi kan virkelig eksperimentelt visualisere atomet, obligationerne, hvor lang er den, hvordan de interagerer. Det er derfor, at få den enkelte krystalstruktur af en polymer er en meget, meget stor sag."

Polymerer er stoffer eller materialer dannet ved opbygning af masser af mindre, lignende enheder (som glucose og aminosyrer), der binder sammen enten naturligt eller syntetisk. Naturligt forekommende polymerer kan omfatte silke, uld, DNA, proteiner, enzymer og cellulose, hvorimod syntetiske polymerer fremstilles af enten videnskabsmænd eller ingeniører og inkluderer materialer som plastik.

Syntetiske polymerer kommer i mange former afhængigt af deres konstruktion - uanset om de er lineære eller spiralformede, antallet af tråde, og længden af ​​trådene. Af disse, spiralformede polymerer har været de mest udfordrende for forskere at syntetisk replikere, hvor dobbeltstrenget er det sværeste af alle, indtil videre begrænset til kun korte spiralformede oligomerer (en polymer med meget få gentagne enheder).

Det er, indtil denne nye forskning.

Zhang og kolleger var i stand til at bruge et kemisk værktøj, de har været banebrydende, dynamisk kovalent kemi, at konstruere en DNA-lignende kovalent spiralformet polymer. Da de gjorde det, det store molekyle var ikke det eneste, de opdagede.

De fandt også enkeltkrystaller.

"Det kom som en dejlig overraskelse, " kommenterede Zhang. "Ved slutningen af ​​reaktionen, da vi bemærkede, at der lå nogle skinnende enkeltkrystaller i bunden af ​​reaktionsbeholderen, vi var begejstrede. Vi sagde, "Wow! Okay, lad os give det (røntgendiffraktion) et skud." At få en enkelt krystal af en polymer er ekstremt sjælden."

Ved at bruge enkeltkrystal synkrotron røntgendiffraktion, forskerne kunne bekræfte, uden tvivl, at de havde skabt det, der tidligere havde været umuligt.

Denne opdagelse, selvom, er kun begyndelsen både for dem og denne kritiske studieretning.

Efter at de dykkede lidt dybere ned i selve strukturen, forskerne planlægger at lege med og udforske selve strukturen, for at se, om de kan gøre selve krystallerne større (lige nu er de ret små), og hvis de kan kontrollere chiraliteten, eller spiral natur, af polymeren, som kunne have brede implikationer for katalyse (kemisk reaktionsproces ved anvendelse af katalysatorer), signaltransduktion (hvordan signaler sendes gennem hele cellen) og registreringsapplikationer.

"Der er en masse rationelt design, syntese, struktur-ejendomsforholdsarbejde, som vi skal udføre, " sagde Zhang. "I sidste ende ønsker vi at demonstrere, at dette er en meget kraftfuld platform for smart biomimetisk materialedesign."