Ett team av kemister vid University of California San Diego genomförde banbrytande forskning för materialvetenskap - ett område där kemi ofta ger information om struktur och sammansättning av material, samt processerna för att tillverka och använda dem. Dess mål är att skapa nya material – från metaller och gummi till beläggningar och kristaller.
Forskare vid institutionen för kemi och biokemi uppnådde detta mål genom att blanda ihop osannolika material för att skapa en ny hybridform av kristallint material som kan förändra materialvetenskapens praktik. Resultaten, publiceras i Natur , presentera potentiella fördelar för medicin och läkemedelsindustrin.
Ling Zhang, Jake Bailey och Rohit Subramanian, alla Ph.D. kandidater som studerar under professor Akif Tezcan, kombinerade proteinkristaller med syntetiska polymerer för att skapa de nya hybridmaterialen.
"Den kemiska integrationen av två sådana olika ämnen ger upphov till en ny form av materia som helt kringgår den grundläggande begränsningen att ordnade ämnen är spröda och oflexibla, och flexibla material saknar ordning, " förklarade Tezcan, som driver Tezcan Lab vid UC San Diego.
Kristaller är uppsättningar av atomer eller molekyler som periodiskt ordnas i tredimensionellt utrymme genom specifika interaktioner. Eftersom dessa interaktioner håller de närliggande beståndsdelarna i ett unikt arrangemang, kristaller - som saltkorn, till exempel—kan inte flexa eller expandera. Istället, om den träffas av en trubbig kraft, de splittras i bitar som inte kan förenas igen. Forskarna kringgick dessa grundläggande begränsningar genom att infundera proteinkristaller med ett nätverk av hydrogelpolymerer, som i huvudsak är diskettiga, klibbiga kedjor som bildar en formminnesform runt proteinmolekylerna. Denna mögel gör att proteinkristallerna kan läka sig själva när de spricker, samt att expandera (ibland med upp till 500 procent i volym) och dra ihop sig utan att förlora sin kristallinitet. Faktiskt, forskarna från UC San Diego observerade att i vissa fall ökade proteinmolekylernas ordning på atomnivå vid expansion och sammandragning. Den ökade ordningen gjorde det möjligt för forskarna att använda röntgenstrålning för att erhålla strukturer med högre upplösning än någonsin observerats för ett protein som kallas ferritin (producerat i en mängd olika organismer för att lagra järn).
Enligt Tezcan, dessa resultat ger löfte om att använda strategin generellt för att förbättra röntgenkristallografin av proteiner, den dominerande metoden för att undersöka atomära strukturer och funktioner. Kristall-hydrogel-hybriderna ger också en ritning för att göra samtidigt sega och starka material som tål brott. Vad mer, förmågan hos dessa material att expandera och dra ihop sig kan kanske användas för att säkert lagra stora biologiska ämnen som antikroppar och nukleinsyror, och sedan för att frigöra dem på önskade platser i kroppen för terapeutiska ändamål.
"Dessa material kombinerar unikt den strukturella ordningen och periodiciteten hos molekylära kristaller, anpassningsförmågan och avstämbara mekaniska egenskaperna hos syntetiska polymerer, och den kemiska mångsidigheten hos proteinbyggstenar, ", sa Tezcan. "Det roligaste med det här arbetet var hur det kombinerade olika discipliner och tekniker på oförutsedda sätt för att skapa nya forskningsriktningar."
