Nanocage-værktøj løsner (molekylær) spaghetti

Et team af videnskabsmænd ved University of Vermont har opfundet et nyt værktøj - de kalder det en "nanocage" - der kan fange og rette op på sammenfiltringer af polymerer på størrelse med molekyler.

Når først en knudret polymerstreng - hvad enten den er lavet af protein eller plastik - er trukket åben, "så kan vi aktivere lige de polymerer, vi ønsker, mens du lader resten være i fred, " siger UVM-kemiker Severin Schneebeli, der ledede den nye forskning. Dette værktøj - der virker lidt som at trække en klud tråd gennem et nålehul - "åbner en ny måde at skabe brugerdefinerede materialer, der aldrig er blevet lavet før, " siger han. Disse kan omfatte pillebelægninger i nanoskala, der vikler sig rundt om enkelte medicinmolekyler eller nye industrielle produkter, der er samlet af præcist arrangerede tråde af plastik på atomær skala.

Værktøjet, sammensat af molekylære kanter med specielle "formstyrende" hydrogenbindinger - og tusindvis af gange mindre end et knappenålshoved - kan udvælge kortere tråde af en polymer, efterlader længere, demonstrerer, at nanocagen kan bruges til selektivt at finde bestemte størrelser af molekyler i en suppe af materiale. "Det er selektivt, og det er aldrig blevet gjort før, " siger Schneebeli. Denne forskning er første gang, at videnskaben har været i stand til at skelne og aktivere polymerkæder i forskellige størrelser i et laboratorium - hvilket åbner døren til nye muligheder for præcisionskemi.

Den nye forskning blev offentliggjort i juni-udgaven af ​​tidsskriftet Chem .

Naturen ved det

Nanocage'ens evner er nye for videnskaben - men ikke for naturen. I milliarder af år, livet har udviklet måder at udvælge bare den smule af et protein eller en anden biologisk knude, som det ønsker at løsne og tænde på – det, videnskabsmænd kalder "funktionalisere". Men folk har haft svært ved at gøre det samme. "På trods af masser af eksempler inden for biologi, " skriver UVM-forskerne, "effektiv og selektiv modifikation af menneskeskabte polymerer er stadig vanskelig."

Uanset om man ændrer biologiske tråde, ligesom DNA, eller industrielle materialer, som plastik, det nye tetraederformede værktøj lover at lade videnskabsmænd gøre det, som naturen allerede gør godt. "Det tog år med hårdt arbejde i laboratoriet at samle dette tetraeder, før vi kunne teste det, " siger Mona Sharafi, hovedforfatteren på den nye undersøgelse, og post-doc forsker ved Unversity of Vermont, der kom til USA fra Iran. "Det er helt menneskeskabt," siger hun, "men inspireret af naturen."

Kraftige polymerer

Ordet polymer kommer fra et par græske ord, der betyder "mange dele." Og polymerer er netop det:materialer fremstillet af enorme molekyler bestående af mange gentagne dele. De findes i mange hverdagsprodukter. Nogle er naturlige, som gummi og shellak. Mange er syntetiske, og bruges til at producere meget af materialet i hverdagen – fra indkøbsposer til bleer, tøj til vandrør. Polymerer kan findes i pæne lange strenge på molekylært niveau - eller de kan bindes op i forfærdelige knuder som en milliard tråde af mikro-spaghetti

Naturen har haft evigheder til at finde ud af, hvordan man både syntetiserer disse enorme molekyler - biopolymerer, som DNA - og hvordan man redigerer og aktiverer udvalgte dele. Folk er blevet ret gode til at lave nye syntetiske polymerer - men ikke så gode til at vælge og redigere dem. Mange videnskabsmænd og ingeniører - der arbejder på nye applikationer til vedvarende energi (f.eks. næste generation af solceller), præcisionsmedicin (som levering af kræftlægemidler til målrettede dele af kroppen) og avanceret elektronik (herunder fleksible enheder) - vil gerne have større kontrol og effektivitet i arbejdet med det, UVM-teamet kalder "funktionelle polymerer med komplekse topologier." Med støtte fra National Science Foundation og National Institutes of Health (som støttede de beregningsmæssige undersøgelser, instrueret af UVM-kemiker Jianing Li), forskningen i nanocage giver et nyt værktøj til at gøre det - "at løse knuden, åbning af polymerer, der ville have været utilgængelige før, " siger UVM's Mona Sharafi. "Vi har åbnet noget stort."