Nyopdaget designregel bringer naturinspirerede nanostrukturer et skridt nærmere

Forskere stræber efter at bygge nanostrukturer, der efterligner kompleksiteten og funktionen af ​​naturens proteiner, men er lavet af slidstærke og syntetiske materialer. Disse mikroskopiske widgets kan tilpasses til utroligt følsomme kemiske detektorer eller langvarige katalysatorer, for at nævne et par mulige applikationer.

Men som med ethvert håndværk, der kræver ekstrem præcision, forskere skal først lære at finjustere de materialer, de vil bruge til at bygge disse strukturer. En opdagelse af forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), og rapporterede den 7. oktober i tidsskriftets forhåndspublikation online Natur , er et stort skridt i denne retning.

Forskerne opdagede en designregel, der gør det muligt at eksistere et nyligt oprettet materiale. Materialet er et peptoid nanosheet. Det er en flad struktur, der kun er to molekyler tyk, og den består af peptoider, som er syntetiske polymerer tæt forbundet med proteindannende peptider.

Designreglen styrer den måde, hvorpå polymerer støder sammen for at danne rygraden, der løber i længden af ​​nanosheets. Overraskende, disse molekyler kæder sammen i et modroterende mønster, der ikke ses i naturen. Dette mønster gør det muligt for rygraden at forblive lineære og snoede, et træk, der gør peptoid nanosheets større og fladere end nogen biologisk struktur.

Berkeley Lab-forskerne siger, at denne aldrig før sete designregel kunne bruges til at sammensætte komplekse nanosheetstrukturer og andre peptoidaggregater såsom nanorør og krystallinske faste stoffer.

Hvad mere er, de opdagede det ved at kombinere computersimuleringer med røntgenspredning og billeddannelsesmetoder til at bestemme, for første gang, atomopløsningsstrukturen af ​​peptoid nanosheets.

"Denne forskning foreslår nye måder at designe biomimetiske strukturer på, "siger Steve Whitelam, en medkorresponderende forfatter af Nature-papiret. "Vi kan begynde at tænke på at bruge andre designprincipper end de naturtilbud."

Whitelam er personaleforsker i Theory Facility at the Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på Berkeley Lab. Han ledede forskningen sammen med den tilsvarende forfatter Ranjan Mannige, en postdoktor ved Molecular Foundry; og Ron Zuckermann, der leder Molecular Foundry's Biological Nanostructures Facility. De brugte de højtydende computerressourcer fra National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en anden DOE Office of Science -brugerfacilitet placeret på Berkeley Lab.

Peptoid nanosheets blev opdaget af Zuckermanns gruppe for fem år siden. De fandt ud af, at under de rigtige betingelser, peptoider samler sig selv til todimensionale samlinger, der kan vokse hundredvis af mikroner på tværs. Dette "molekylære papir" er blevet et varmt perspektiv som en protein-efterlignende platform for molekylært design.

For at lære mere om dette potentielle byggemateriale, forskerne satte sig for at lære dens atomopløsningsstruktur. Dette indebar feedback mellem eksperiment og teori. Mikroskopi og spredningsdata indsamlet på Molecular Foundry og den avancerede lyskilde, også en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på Berkeley Lab, blev sammenlignet med molekylære dynamiksimuleringer udført ved NERSC.

Forskningen afslørede flere nye ting om peptoid nanosheets. Deres molekylære makeup varierer i hele deres struktur, de kan kun dannes af peptoider af en vis minimumslængde, de indeholder vandlommer, og de er potentielt porøse, når det kommer til vand og ioner.

Disse indsigter er i sig selv spændende, men da forskerne undersøgte strukturen af ​​nanosheets 'rygrad, de var overraskede over at se en designregel, der ikke findes inden for proteinstrukturbiologi.

Her er forskellen:I naturen, proteiner består af beta -plader og alfa -spiraler. Disse grundlæggende byggesten er selv sammensat af rygrad, og polymererne, der udgør disse rygrad, er alle sammenføjet ved hjælp af den samme regel. Hver tilstødende polymer roterer trinvist i samme retning, så der løber et twist langs rygraden.

Denne regel gælder ikke for peptoid nanosheets. Langs deres rygrad, tilstødende monomerenheder roterer i modsatte retninger. Disse modrotationer annullerer hinanden, hvilket resulterer i en lineær og ikke snoet rygrad. Dette gør det muligt at flise rygrader i to dimensioner og udvide til store plader, der er fladere end noget naturen kan producere.

"Det var en stor overraskelse at finde den designregel, der gør peptoid nanosheets muligt, har unddraget sig biologi indtil nu, "siger Mannige." Denne regel kunne måske bruges til at bygge mange flere urealiserede strukturer. "

Tilføjer Zuckermann, "Vi forventer også, at der er andre designprincipper, der venter på at blive opdaget, hvilket kunne føre til endnu flere biomimetiske nanostrukturer. "