Syntetiske nanopartikler opnår kompleksiteten af ​​proteinmolekyler

Kemikere ved Carnegie Mellon University har vist, at syntetiske nanopartikler kan opnå det samme niveau af strukturel kompleksitet, hierarki og nøjagtighed som deres naturlige modstykker - biomolekyler. Studiet, udgivet i Videnskab , afslører også mekanismerne på atomniveau bag selvsamling af nanopartikler.

Resultaterne fra laboratoriet af kemiprofessor Rongchao Jin giver forskere et vigtigt vindue til, hvordan nanopartikler dannes, og vil hjælpe med at guide konstruktionen af ​​nanopartikler, herunder dem, der kan bruges til fremstilling af computerchips, skabe nye materialer, og udvikling af nye lægemidler og lægemiddelleveringsanordninger.

"De fleste mennesker tror, ​​at nanopartikler er simple ting, fordi de er så små. Men når vi ser på nanopartikler på atomniveau, vi fandt ud af, at de er fulde af vidundere, " sagde Jin.

Nanopartikler er typisk mellem 1 og 100 nanometer store. Partikler i den større ende af nanoskalaen er sværere at skabe præcist. Jin har været på forkant med at skabe præcise guld nanopartikler i et årti, først at etablere strukturen af ​​en ultra-lille Au25 nanocluster og derefter arbejde på større og større. I 2015 hans laboratorium brugte røntgenkrystallografi til at etablere strukturen af ​​en Au133 nanopartikel og fandt ud af, at den indeholdt kompleks, selvorganiserede mønstre, der spejlede mønstre, der findes i naturen.

I den aktuelle undersøgelse, de søgte at finde ud af de mekanismer, der fik disse mønstre til at dannes. Forskerne, ledet af kandidatstuderende Chenjie Zeng, etableret strukturen for Au246, en af ​​de største og mest komplekse nanopartikler skabt af videnskabsmænd til dato og den største guldnanopartikel, der har fået sin struktur bestemt ved røntgenkrystallografi. Au246 viste sig at være en ideel kandidat til at dechifrere de komplekse regler for selvsamling, fordi den indeholder et ideelt antal atomer og overfladeligander og har omtrent samme størrelse og vægt som et proteinmolekyle.

Analyse af Au246's struktur afslørede, at partiklerne havde meget mere til fælles med biomolekyler end størrelse. De fandt ud af, at liganderne i nanopartiklerne samlede sig selv i rotations- og parallelle mønstre, der er slående ens de mønstre, der findes i proteiners sekundære struktur. Dette kunne indikere, at nanopartikler af denne størrelse nemt kunne interagere med biologiske systemer, giver nye veje til lægemiddelopdagelse.

Forskerne fandt også ud af, at Au246-partikler dannes ved at følge to regler. Først, de maksimerer interaktionen mellem atomer, en mekanisme, der var blevet teoretiseret, men endnu ikke set. For det andet matcher nanopartiklerne symmetriske overflademønstre, en mekanisme, der ikke tidligere var blevet overvejet. Det matchende, som ligner puslespilsbrikker, der samles, viser, at partiklens komponenter kan genkende hinanden på deres mønstre og spontant samles i den højt ordnede struktur af en nanopartikel.

"Selvsamling er en vigtig måde at bygge på i nanoverdenen. At forstå reglerne for selvsamling er afgørende for at designe og opbygge komplekse nanopartikler med en bred vifte af funktionaliteter, " sagde Zeng, undersøgelsens hovedforfatter.

I fremtidige undersøgelser, Jin håber at skubbe krystallisationsgrænserne for nanopartikler endnu længere til større og større partikler. Han planlægger også at udforske partiklernes elektroniske og katalytiske kraft.