Ny teori styrker det, vi ved om, hvordan ladede makromolekyler samler sig selv

I en opdagelse med vidtrækkende implikationer annoncerede forskere ved University of Massachusetts Amherst for nylig i Proceedings of the National Academy of Sciences at ensartet ladede makromolekyler – eller molekyler, såsom proteiner eller DNA, der indeholder et stort antal atomer alle med den samme elektriske ladning – kan selv samle sig til meget store strukturer. Denne opdagelse øger vores forståelse af, hvordan nogle af livets grundlæggende strukturer er bygget.

Traditionelt har videnskabsmænd forstået ladede polymerkæder som værende sammensat af mindre, ensartet ladede enheder. Sådanne kæder, kaldet polyelektrolytter, viser forudsigelig adfærd af selvorganisering i vand:De vil frastøde hinanden, fordi lignende ladede objekter ikke kan lide at være tæt på hinanden. Hvis du tilføjer salt til vand, der indeholder polyelektrolytter, spoler molekylerne sig sammen, fordi kædernes elektriske frastødning afskærmes af saltet.

Men "spillet er meget anderledes, når du har dipoler," siger Murugappan Muthukumar, Wilmer D. Barrett-professor i polymervidenskab og teknik ved UMass Amherst, undersøgelsens seniorforfatter.

Mens mange molekyler har enten en positiv eller negativ ladning, har dipoler begge dele. Det betyder, at polymerer sammensat af dipoler opfører sig meget anderledes end de mere velkendte polyelektrolytter, som enten har en positiv eller negativ elektrisk ladning:de udvider sig i en saltopløsning og kan danne tværbindinger med andre dipolpolymerkæder, hvilket så fører til dannelsen af komplekse polymerstrukturer.

Di Jia, som afsluttede denne forskning som en del af sin postdoktorale uddannelse ved UMass Amherst og er studiets hovedforfatter, siger, at "dipoler kan få polyelektrolytter til at opføre sig mere som polyzwitterioner, som udviser en 'anti-polyelektrolyt-effekt'. Denne effekt er også et kendetegn ved de traditionelle kemiske polyzwitterioner, hvis dipoler er lavet af kemiske bindinger. Derfor, for fysiske polyzwitterioner i fortyndede opløsninger, øges polymerstørrelsen med stigende ionstyrke, hvilket udviser en kugle-til-spiral-overgang pga. til inter-kæde dipol-interaktioner."

Dipolære polymerer er i stand til at danne komplekse, selvregulerende strukturer, som kan anvendes i alt fra lægemiddelleveringssystemer til næste generations polymerer. "Vi teoretiserer, at disse dipolære kræfter i ladede makromolekyler spiller en væsentlig rolle i næsten alle biologiske samlingsprocesser, såsom den spontane fødsel af membranløse organeller," siger Muthukumar.

Desuden udviser disse dipol-sammensatte polymerer en "imellem" tilstand, kaldet "mesomorfisme". I den mesomorfe tilstand er polymererne hverken vidt spredt eller tæt oprullet, men samlet i store, stabile, ensartede strukturer, der har evnen til at "selvforgifte" eller opløses.

"Betydningen af ​​opdagelsen af, at dipoler driver samlingen af ​​polymerer, er enorm," siger Muthukumar, "fordi den kaster nyt lys over et af de fundamentale mysterier i livets processer," eller hvordan biologiske materialer ved, hvordan de selv samles til sammenhængende, stabile strukturer. "Teorien ændrer paradigmet for, hvordan vi tænker om disse systemer, og fremhæver den uanerkendte rolle, som dipoler spiller i selvsamlingen af ​​biologiske materialer." + Udforsk yderligere

Samling af materialer ved hjælp af ladede polymerer