Et reb i nanoskala, og endnu et skridt mod komplekse nanomaterialer, der samler sig selv

(PhysOrg.com) - Forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har lokket polymerer til at flette sig selv ind i piskede nanoskala reb, der nærmer sig den strukturelle kompleksitet af biologiske materialer.

Deres arbejde er den seneste udvikling i fremstødet for at udvikle selvsamlende materialer i nanoskala, der efterligner forviklingen og funktionaliteten af ​​naturens håndværk, men som er robuste nok til at modstå barske forhold som varme og tørhed.

Selvom det stadig er tidligt i udviklingsstadiet, deres forskning kan føre til nye applikationer, der kombinerer det bedste fra begge verdener. Måske vil de blive brugt som stilladser til at guide konstruktionen af ​​nanoskala ledninger og andre strukturer. Eller måske vil de blive brugt til at udvikle lægemiddelleveringsmidler, der målretter sygdom på molekylær skala, eller at udvikle molekylære sensorer og si-lignende enheder, der adskiller molekyler fra hinanden.

Specifikt, videnskabsmændene skabte betingelserne for, at syntetiske polymerer, kaldet polypeptoider, kunne samle sig i stadigt mere komplicerede strukturer:først til ark, derefter i stakke af ark, som igen ruller op i dobbeltspiraler, der ligner et reb, der kun måler 600 nanometer i diameter (en nanometer er en milliardtedel af en meter).

"Denne hierarkiske selvsamling er kendetegnende for biologiske materialer såsom kollagen, men at designe syntetiske strukturer, der gør dette, har været en stor udfordring, " siger Ron Zuckermann, der er Facility Director for Biological Nanostructures Facility i Berkeley Labs Molecular Foundry.

Ud over, i modsætning til normale polymerer, forskerne kan kontrollere atom-for-atom-sammensætningen af ​​ropy-strukturerne. De kan også konstruere helixer af specifikke længder og sekvenser. Denne "tunability" åbner døren for udviklingen af ​​syntetiske strukturer, der efterligner biologiske materialers evne til at udføre utrolige præstationer af præcision, såsom at gå ind på specifikke molekyler.

"Naturen bruger nøjagtig længde og rækkefølge til at udvikle meget funktionelle strukturer. Et antistof kan genkende en form for et protein frem for en anden, og vi prøver at efterligne dette, ” tilføjer Zuckermann.

Zuckermann og kolleger udførte forskningen på The Molecular Foundry, som er et af de fem DOE Nanoscale Science Research Centres førende nationale brugerfaciliteter til tværfaglig forskning på nanoskala. Sammen med ham var andre Berkeley Lab-forskere Hannah Murnen, Adrianne Rosales, Jonathan Jaworski, og Rachel Segalman. Deres forskning blev offentliggjort i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

Forskerne arbejdede med kæder af bioinspirerede polymerer kaldet peptoider. Peptoider er strukturer, der efterligner peptider, som naturen bruger til at danne proteiner, biologiens arbejdsheste. I stedet for at bruge peptider til at bygge proteiner, imidlertid, videnskabsmændene stræber efter at bruge peptoider til at bygge syntetiske strukturer, der opfører sig som proteiner.

Holdet startede med en blokcopolymer, som er en polymer sammensat af to eller flere forskellige monomerer.

"Simple blokcopolymerer samles selv i nanoskalastrukturer, men vi ønskede at se, hvordan den detaljerede sekvens og funktionalitet af bioinspirerede enheder kunne bruges til at lave mere komplicerede strukturer, " siger Rachel Segalman, en fakultetsforsker ved Berkeley Lab og professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of California, Berkeley.

Med det i tankerne, peptoid-stykkerne blev robotsyntetiseret, behandlet, og derefter tilføjet til en løsning, der fremmer selvsamling.

Resultatet var en række selvfremstillede former og strukturer, hvor de flettede helixer er de mest spændende. Den hierarkiske struktur af helixen, og dets evne til at blive manipuleret atom-for-atom, betyder, at den kunne bruges som skabelon til mineralisering af komplekse strukturer på nanometerskala.

"Idéen er at samle strukturelt komplekse strukturer på nanometerskalaen med minimal input, ” siger Hannah Murnen. Hun tilføjer, at forskernes næste håb er at udnytte det faktum, at de har minutiøs kontrol over strukturens sekvens, og udforske, hvordan meget små kemiske ændringer ændrer den spiralformede struktur.

siger Zuckermann, "Disse flettede helixer er et af de første forsøg på at lave atomisk definerede blokcopolymerer. Ideen er at tage noget, vi normalt tænker på som plastik, og sætte den i stand til at vedtage strukturer, der er mere komplekse og i stand til at fungere højere, såsom molekylær genkendelse, hvilket er, hvad proteiner gør rigtig godt."

Røntgendiffraktionseksperimenter brugt til at karakterisere strukturerne blev udført ved strålelinjer 8.3.1 og 7.3.3 i Berkeley Labs Advanced Light Source, en national brugerfacilitet, der genererer intense røntgenstråler for at undersøge stoffers grundlæggende egenskaber. Dette arbejde blev delvist støttet af Office of Naval Research.