Frys ramme:Forskere tager snapshots i atomskala af kunstige proteiner

Proteinlignende molekyler kaldet "polypeptoider" (eller "peptoider, "kort sagt) har stort løfte som præcisionsbyggesten til at skabe en række designer nanomaterialer, som fleksible nanosheets - ultratynde, atom-skala 2-D materialer. De kunne fremme en række applikationer - såsom syntetisk, sygdomsspecifikke antistoffer og selvreparerende membraner eller væv-til en lav pris.

For at forstå, hvordan man gør disse applikationer til virkelighed, imidlertid, forskere har brug for en måde at zoome ind på en peptoid atomstruktur. Inden for materialevidenskab, forskere bruger typisk elektronmikroskoper til at nå atomopløsning, men bløde materialer som peptoider ville gå i opløsning under den hårde blænding af en elektronstråle.

Nu, forskere ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har tilpasset en teknik, der får elektronernes magt til at visualisere et blødt materiales atomstruktur, mens den forbliver intakt.

Deres undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences , demonstrerer for første gang, hvordan cryo-EM (kryogen elektronmikroskopi), en nobelprisvindende teknik oprindeligt designet til at billedproteiner i opløsning, kan bruges til at forestille atomforandringer i et syntetisk blødt materiale. Deres fund har konsekvenser for syntesen af ​​2-D materialer til en lang række anvendelser.

"Alle materialer, vi rører ved, fungerer på grund af måden atomer er arrangeret i materialet på. Men vi har ikke den viden om peptoider, fordi i modsætning til proteiner, atomstrukturen i mange bløde syntetiske materialer er rodet og svær at forudsige, "sagde Nitash Balsara, en højtstående fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, og professor i kemiteknik ved UC Berkeley, der ledede undersøgelsen. "Og hvis du ikke ved, hvor atomerne er, du flyver blind. Vores brug af cryo-EM til billeddannelse af peptoider vil sætte en klar vej for design og syntese af bløde materialer i atomskala. "

Ser hårdt på bløde materialer

I de sidste 13 år har Balsara har ført et forsøg på at forestille sig bløde materialer i atomskala gennem Berkeley Labs Soft Matter Electron Microscopy Program. For den aktuelle undersøgelse, han slog sig sammen med Ronald Zuckermann, en seniorforsker i Berkeley Labs Molecular Foundry, der først opdagede peptoider for næsten 30 år siden i sin søgen efter nye polymerer -materialer lavet af lange, gentagende kæder af små molekylære enheder kaldet "monomerer" - til målrettede lægemiddelterapier.

"Denne undersøgelse kommer fra mange års forskning her på Berkeley Lab. At lave et materiale og se atomerne - det er drømmen om min karriere, "sagde Zuckermann, der ledede undersøgelsen sammen med Balsara.

I modsætning til de fleste syntetiske polymerer, peptoider kan fås til at have en præcis sekvens af monomerenheder, et fælles træk ved biologiske polymerer, såsom proteiner og DNA.

Og ligesom naturlige proteiner, peptoider kan vokse eller samle sig i forskellige former til bestemte funktioner-såsom spiraler, fibre, nanorør, eller tynde og flade nanosheets.

Men i modsætning til proteiner, molekylstrukturen af ​​peptoider er typisk amorf og uforudsigelig - som en bunke våde nudler. Og at løse en sådan uforudsigelig struktur har længe været en hindring for materialeforskere.

Fastgørelse af peptoider med cryo-EM

Så forskerne vendte sig til cryo-EM, som blitzfryser peptoiderne ved en temperatur på omkring 80 kelvin (eller minus 316 grader Fahrenheit) i mikrosekunder. Den ultrakølede temperatur af cryo-EM låser i arkets struktur og forhindrer også elektronerne i at ødelægge prøven.

For at beskytte bløde materialer, cryo-EM bruger færre elektroner end konventionel elektronmikroskopi, resulterer i spøgelsesagtige sort-hvide billeder. For bedre at dokumentere, hvad der foregår på atomniveau, hundredvis af disse billeder er taget. Sofistikerede matematiske værktøjer kombinerer disse billeder for at lave mere detaljerede billeder i atomar skala.

Til undersøgelsen, forskerne fremstillede nanosheets i opløsning fra korte peptoidpolymerer lavet af en kæde på seks hydrofobe monomerer kendt som "aromater, "forbundet til fire hydrofile polyethermonomerer. De hydrofile eller" vandelskende "monomerer tiltrækkes af vandet i opløsningen, mens de hydrofobe eller "vandhadende" monomerer undgår vandet, orientering af molekylerne til dannelse af krystallinske nanosark, der kun er et molekyle tykke (ca. 3 nanometer, eller 3 milliarddeler af en meter).

Hovedforfatter Sunting Xuan, en postdoktor i materialevidenskabsafdelingen, syntetiserede peptoid nanosheets og anvendte røntgenspredningsteknikker ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) til at karakterisere deres molekylære struktur. ALS producerer lys i forskellige bølgelængder for at muliggøre undersøgelser af prøvernes nanoskala struktur og kemi, blandt andre ejendomme.

Xi Jiang, en projektforsker i materialevidenskabsafdelingen, tog billederne i høj kvalitet og udviklede de algoritmer, der var nødvendige for at opnå atomopløsning i peptoid-billeddannelsen.

David Prendergast, seniorforsker og midlertidig direktør for Molecular Foundry, modellerede atomiske substitutioner i peptoiderne, og Nan Li, en postdoktor ved Molecular Foundry, udført molekylær dynamiksimuleringer for at etablere en atomskala-model af nanosjiktet.

Kernen i teamets opdagelse var deres evne til hurtigt at gentage mellem materialesyntese og atomisk billeddannelse. Præcisionen ved peptoid syntese, kombineret med forskernes evne til direkte at forestille sig placeringen af ​​atomer ved hjælp af cryo-EM, tillod dem at konstruere peptoidet på atomniveau. Til deres overraskelse, da de skabte flere nye variationer af peptoidmonomersekvensen, atomstrukturen i nanoskiven ændret sig på en meget velordnet måde.

For eksempel, når der blev tilsat et yderligere bromatom til hver aromatisk ring, formen på hvert peptoidmolekyle forblev uændret, men rummet mellem rækker steg med lige nok til at rumme de ekstra bromatomer.

Desuden, da fire yderligere varianter af peptoid nanosheet -strukturen blev afbildet, forskerne bemærkede en bemærkelsesværdig ensartethed på tværs af deres atomstruktur, og at nanosheets delte den samme form af peptoidmolekyler. Dette gav dem mulighed for forudsigeligt at konstruere nanosheetstrukturen, Sagde Zuckermann.

"At have så meget kontrol i atomskalaen i bløde materialer var helt uventet, "sagde Balsara, fordi det blev antaget, at kun proteiner kunne danne definerede former, når du har en bestemt sekvens af monomerer - i deres tilfælde, aminosyrer.

En team tilgang til nye materialer

I tæt på fire årtier har Berkeley Lab har skubbet grænserne for elektronmikroskopi til videnskabelige områder, der engang blev anset for umulige at udforske med en elektronstråle. Pionerarbejde af forskere ved Berkeley Lab spillede også en central rolle i Nobelprisen 2017 i kemi, som beærede udviklingen af ​​cryo-EM.

"De fleste mennesker vil sige, at det ikke er muligt at udvikle en teknik, der kan placere og se individuelle atomer i et blødt materiale, "sagde Balsara." Den eneste måde at løse hårde problemer som denne er at samarbejde med eksperter på tværs af videnskabelige discipliner. På Berkeley Lab, vi arbejder som et team. "

Zuckermann tilføjede, at den nuværende undersøgelse viser, at cryo-EM-teknikken kunne anvendes på en lang række almindelige polymerer og andre industrielle bløde materialer, og kunne føre til en ny klasse bløde nanomaterialer, der foldes ind i proteinlignende strukturer med proteinlignende funktioner.

"Dette arbejde sætter scenen for materialeforskere til at tackle udfordringen med at gøre kunstige proteiner til virkelighed, " han sagde, tilføjer, at deres undersøgelse også positionerer teamet til at arbejde på at løse en mangfoldighed af spændende problemer, og for at "øge folks bevidsthed om, at de, også, kan begynde at se på atomstrukturen af ​​deres bløde materialer ved hjælp af disse cryo-EM teknikker. "