Forskere skaber nanoclusters, der efterligner biomolekyler

Biologiske systemer kommer i alle afskygninger, størrelser og strukturer. Nogle af disse strukturer, som dem der findes i DNA, RNA og proteiner, dannes gennem komplekse molekylære interaktioner, der ikke let duplikeres af uorganiske materialer.

Et forskerhold ledet af Richard Robinson, lektor i materialevidenskab og teknik, opdaget en måde at binde og stable nanoskala klynger af kobbermolekyler, der kan selvsamle og efterligne disse komplekse biosystemstrukturer i forskellige længdeskalaer. Klyngerne giver en platform for udvikling af nye katalytiske egenskaber, der rækker ud over, hvad traditionelle materialer kan tilbyde.

Nanocluster-kernen forbindes til to kobberhætter udstyret med specielle bindingsmolekyler, kendt som ligander, der er vinklet som propelblade.

Holdets papir, "Tertiær hierarkisk kompleksitet i samlinger af svovlbroforbundne metalklynger, " offentliggjort den 27. juli i Journal of the American Chemical Society .

"Bare at være i stand til at skabe uorganiske klynger og præcist lokalisere de atomare positioner er et relativt nyt område, fordi uorganiske klynger ikke let samles til organiserede krystaller, som organiske molekyler gør. Da vi fik disse til at samle, det vi fandt var dette mærkelige, hierarkisk organisation, der var fuldstændig uventet, " sagde Robinson, avisens seniorforfatter. "Dette arbejde kunne give en grundlæggende forståelse af, hvordan biosystemer som proteiner samler sig for at skabe sekundær strukturel organisation, og det giver os en mulighed for at begynde at skabe noget, der kunne efterligne et naturligt levende system."

Nanoclusterne har tre organisationsniveauer med en sammenlåsende, chiralt design. To kobberhætter er forsynet med specielle bindingsmolekyler, kendt som ligander, der er vinklet som propelblade, med det ene sæt vippede med uret og det andet mod uret (eller venstre- og højrehåndet), alle forbinder til en kerne. Kobberklyngerne er brokoblet med svovl, og har en blandet oxidationstilstand, hvilket gør dem mere aktive i kemiske reaktioner.

Klyngernes fleksible, adaptiv natur gør dem til potentielle kandidater til metaboliske og enzymatiske processer, samt accelerere kemiske reaktioner gennem katalyse. For eksempel, de kan muligvis reducere kuldioxid til alkoholer og kulbrinter.

"Vi vil gerne udvikle katalytiske materialer med funktioner, der efterligner naturlige enzymer, " sagde medforfatter Jin Suntivich, lektor i materialevidenskab og teknik. "Fordi vores klynge kun har 13 kobberatomer, tunbarheden er mere kontrollerbar end en nanopartikel med hundreder eller tusinder af atomer. Med dette højere kontrolniveau, vi kan tænke på at opbygge klyngerne på en systematisk måde. Dette kan hjælpe med at afsløre, hvordan hvert atom deltager i reaktioner, og hvordan man rationelt designer et bedre. Vi ser det som en bro til enzymer, hvor atomerne er samlet på en præcis måde for at muliggøre meget selektiv katalyse."

Radikalt samarbejde

Mens andre uorganiske klynger har en tendens til at bytte elektroner og ændre deres egenskaber, når de udsættes for ilt, liganderne stabiliserer nanoclusteren over længere og længere livscyklusser, hvilket gør den pålideligt luftstabil. Og fordi liganderne er stærke ledere af elektroner, klyngerne kan være nyttige i organisk elektronik, kvantecomputere og lysoptiske kontakter.

Robinsons gruppe ser nu på at kopiere det samme tre-niveau hierarki med andre metaller.

"Materialeforskere og kemiske forskere har forsøgt at efterligne disse komplekse hierarkiske strukturer i laboratoriet, og vi tror, ​​vi endelig har noget, som ingen andre har set, og som vi kan bygge videre på til fremtidig forskning, " sagde Robinson.