Med inspiration från det mänskliga immunsystemet, forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skapat ett nytt material som kan programmeras för att identifiera en oändlig mängd molekyler. Det nya materialet liknar små kardborreband, var och en bara hundra nanometer över. Men istället för att säkra dina sneakers, denna molekylära kardborre efterliknar hur naturliga antikroppar känner igen virus och toxiner, och kan leda till en ny klass av biosensorer.

"Antikroppar har en riktigt effektiv arkitektonisk design:en strukturell byggnadsställning som i stort sett förblir densamma, oavsett om det är för ormgift eller förkylning, och oändligt varierande funktionella slingor som binder utländska inkräktare, "säger Ron Zuckermann, en senior forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry. "Vi har efterliknat det här, med en tvådimensionell nanoskiktställning täckt med små funktionella öglor som kardborreband. "

Zuckermann, Direktör för Molecular Foundry's Biological Nanostructures Facility, är motsvarande författare på ett papper som rapporterar dessa resultat i ACS Nano , med titeln "Antikroppsmimetisk peptoid-nanosheet för molekylär igenkänning." Medförfattare av tidningen är Gloria K. Olivier, Andrew Cho, Babak Sanii, Michael D. Connolly, och Helen Tran.

Zuckermanns nanoskiktställningar är självmonterade av peptoider-syntetiska, bioinspirerade polymerer som kan fällas in i proteinliknande arkitekturer. Som pärlor på ett snöre, varje peptoidmolekyl är en lång kedja av små molekylära enheter arrangerade i ett specifikt mönster. I tidigare arbeten, Zuckermann visade hur vissa enkla peptoider kan vika sig till nanoskikt med bara några nanometer tjocka men upp till hundra mikrometer tvärs-dimensioner som motsvarar ett millimeter tjockt plastark i storlek på en fotbollsplan.

"Anledningen till att nanoskikt bildas är för att det finns en kod för den programmerad direkt i peptoiderna, "säger Zuckermann." I det här fallet är det visserligen ett ganska rudimentärt program, men det visar hur om du tar in bara lite sekvensinformation:Boom! Du kan skapa ett nanoskikt. "

För att skapa funktionella slingor på nanoskikten, forskarna sätter in korta molekylära segment i nanoskiktbildande peptoidpolymerer. När peptoiderna stickar ihop sig till ark, de infogade segmenten utesluts från vikningen, skjuts ut istället i slingor på nanoskivans yta. De funktionella öglorna kan programmeras för att selektivt binda vissa enzymer eller oorganiska material, vilket gör det nya materialet lovande för kemisk avkänning och katalys.

"Fördelen här är att vi kan göra dessa material med mycket hög avkastning, säger Gloria Olivier, en postdoktor och huvudförfattare på uppsatsen. "Vi lånar den här idén om att slå ihop en viss sekvens av monomerer, som naturen använder för att bygga 3D -proteinstrukturer, och tillämpa den på en värld av icke-naturliga material, att skapa ett riktigt användbart material som kan montera sig själv. "

Forskarna visade flexibiliteten i deras metod genom att skapa nanoskikt med slingor med varierande sammansättning, längd, och densitet; de gjorde nanoskikt som kan välja specifika enzymer ur en lösning, orsakar kemiska förändringar som kan detekteras med standardtekniker, och andra som binder selektivt till guldmetall, sådd tillväxten av guld nanopartiklar och filmer.

"Peptoider tål mycket hårdare förhållanden än peptider, deras motsvarighet i naturen, "säger Olivier." Så om du ville bygga en diagnostisk enhet som kan tas utanför ett laboratorium, eller en enhet som kan screena för biomarkörer i närvaro av en blandning av proteiner som proteaser, peptoider är ett utmärkt val. "

Ser bortom de spännande applikationerna, Zuckermann påpekar att detta arbete representerar ett viktigt steg mot att utvidga reglerna för proteinvikning till en värld av syntetiska material.

Säger Zuckermann, "Det är ungefär det som hela mitt forskningsprogram här handlar om:att lära av den mängd kemisk sekvensinformation som finns i biologin för att skapa nya typer av avancerade syntetmaterial. Vi börjar egentligen bara skrapa på ytan."