Om du vill bygga ett högt hus, du måste använda ställningar. Professor Ye Zhang och kollegor vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) tillämpar denna konstruktionsprincip på sina labarbeten, med en stor skillnad:Materialet de arbetar med är bara några miljarder kvadratmeter stora.

Nanoskala konstruktion är ett område inom nanoteknik som använder nanomaterial som grundläggande byggstenar för att skapa material med specifika funktioner. I fältets tidiga dagar, forskare undersökte möjligheten att bygga nanoskala/mikroskala strukturer med hjälp av enstaka molekylära komponenter. Nu, forskare är inspirerade av den biologiska världen som innebär en mycket mer komplex process med interaktioner mellan många olika komponenter.

I levande organismer, komplexa molekylstrukturer konstrueras och dekonstrueras ständigt under organismens livscykel. Till exempel, för att röra sig i kroppen, celler måste interagera med sin yttre miljö, känd som den extracellulära matrisen (ECM). ECM är det naturliga fibrösa ställningen som ger strukturellt och biokemiskt stöd till de omgivande cellerna. För att skapa utrymme för sig själva att röra sig, celler utsöndrar proteasenzymer, som delvis smälter ECM. Omvänt, molekyler i ECM kan också stödja eller undertrycka processer i själva cellen.

Med inspiration från de biologiska byggmetoder som används i celler och ECM, Bioinspired Soft Matter Unit, ledd av prof. Zhang, har designat och syntetiserat en nanoskala verktygslåda med molekyler som kan interagera tillsammans för att montera komplexa molekylstrukturer. Deras arbete publicerades nyligen i Angewandte Chemie International Edition .

Forskarna designade och syntetiserade två molekyler baserade på en doftande organisk kemisk förening som kallas kumarin. Den ena är en peptidmolekyl som självmonteras till nanofibrer. Dessa samlas för att bilda en molekylär "byggnadsställning". Den andra är en bensoatmolekyl som självmonteras till arkliknande nanostrukturer. Dessa ark bildar molekylära "tegelstenar", som i sin tur tar form som molekylära torn. När dessa molekyler blandas ihop, de skiljer sig efter typ, självmonteras och interagerar sedan tillsammans för att bygga molekylstrukturer av högre ordning.

Forskarna ändrade strukturen på det molekylära ställningen genom att använda UV -ljus eller ett enzym för att klyva nanofibrerna, vilket gjorde det möjligt för dem att manipulera höjden på det "molekylära tornet". De använde skanningselektronmikroskop vid OIST för att observera strukturella särdrag hos molekylerna, som lager och former. Sedan, med hjälp av OIST -tekniker, de använde atomkraftsmikroskopi för att mäta den exakta höjden på molekyltornen i nanometer.

De visade att den fibrösa peptidställningen reglerar höjden och arkitekturen för det molekylära tornet. Med hjälp av denna byggnadsställning, som ger stöd genom ytinteraktioner mellan nanostrukturerna, bensoatstenarna kan bilda högre strukturer. "Medan molekylstenarna ensamma kan bygga torn upp till 100 nanometer, när vi tillsatte fibern, de kunde bygga torn upp till 900 nanometer, "säger professor Zhang.

Genom att härma den molekylära självmonteringsprocessen som sker i levande organismer, kemister kan lära sig nya metoder för kemisk syntes av nano/mikrostrukturer. I framtiden, Bioinspired Soft Matter Unit hoppas kunna konstruera specifika molekyler på biologiska membran för att reglera cellöden. Till exempel, genom att bygga molekyler på cellmembran, de hoppas att en dag kunna manipulera den rumsliga organisationen av membranproteiner.