Inspiration från naturen, forskare tillverkar polymerer med allt mer exakta kompositioner på begäran. Med hjälp av flerstegssyntesverktyg hämtade från biologin, biokemi och organisk syntes, en grupp rapporterar att de utvecklar syntetiska polymerer med mycket hög precision med exakt kontrollerade kedjelängder och monomersekvenser. De resulterande informationsinnehållande makromolekylerna kan distribueras för datalagring, anti-förfalskning och spårbarhetsteknik.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) National Meeting &Exposition våren 2019.

"Det finns i princip två typer av polymerer, säger Jean-François Lutz, Ph.D. "En typ är plast, som är gjord av människor. Den andra typen kallas en biopolymer, och det är en mycket mer definierad molekyl. Faktiskt, människor är mestadels konstruerade med polymerer - DNA och proteiner."

Konventionella kemitillverkningstekniker kan producera polymerer med oregelbundna längder och sekvenser. Men, Lutz noterar, naturen är mer exakt. Det finns en enorm skillnad i strukturell kvalitet mellan konstgjorda och biologiska polymerer, han förklarar. "Syftet med vårt arbete är att fylla i luckan - att göra syntetiska polymerer med hjälp av biologisk inspiration."

Rent generellt, Sekvenskontrollerade polymerer kan konstrueras antingen genom kedjetillväxt- eller stegtillväxtpolymerisationer. Båda tillvägagångssätten kan uppnå polymerkedjor av olika längd. Dock, när olika monomerer kombineras till polymerer, de kommer att variera i kedja-till-kedja-sammansättning och sekvens. Sådana polymerer är inte idealiska för tillämpningar, som kodning, där en exakt, enhetlig struktur behövs.

Lutz och hans grupp vid Institut Charles Sadron har arbetat med att bygga syntetiska molekyler med samma precision och enhetlighet som biologiska makromolekyler. "Vi fick den första inspirationen från DNA, som är en polymer gjord med fyra monomerer:adenin, tymin, guanin och cytosin, " säger Lutz. "Även om DNA är en polymer som kodar för just den information som gör oss till människor - en viktig prestation - är det verkligen inte den bästa strukturen för många andra saker. Vi tänkte att vi kanske kunde göra en polymer som är lika informationsrik, men förbättra strukturen så att den kan användas för en mängd olika applikationer."

Gruppen konstruerar sina syntetiska polymerer med helt kontrollerade primära strukturer med hjälp av fastfas iterativ kemi, en process som ursprungligen utvecklades för att göra peptider, eller korta bitar av proteiner. De senaste åren, teamet har tillverkat exakt skräddarsydda polymerer för datalagringstillämpningar. I dessa polymerer, varje monomer eller subenhet står för en specifik information. Än så länge, forskarna har skapat små datalagringsenheter gjorda av skiktade sekvenskodade polymerer. Nyligen, de har också studerat kristalliseringen av kodade syntetiska polymerer och observerat att de molekylära bitarna som de innehåller upptar mycket mindre volymer än nukleotiderna i DNA. "Abiotiska sekvenskodade polymerer är nu långt bortom proof-of-concept, " säger Lutz. "Vi var den första gruppen. Nu är det en trend eller ett område inom polymerkemi."

Lutz tror att inom de närmaste 10 åren, hans grupp kommer att lansera anti-förfalskning och spårbarhetstekniker med deras exakt skräddarsydda polymerer. Förfalskning av medicintekniska produkter är ett stort problem. Världshälsoorganisationen uppskattar att mer än åtta procent av den medicinska utrustningen i omlopp är förfalskade. Lutz grupp bygger och sätter in sekvensdefinierade polymerer i medicintekniska produkter som okulära implantat. Polymererna kan extraheras senare och identifieras med tandemmasspektroskopi.

"När du kan lagra kod i en molekyl, du kan föreställa dig att med en enda molekyl kan du skriva något, som namnet på ett företag, ett batchnummer eller produktionsdatum, " säger Lutz. "Du har en molekyl som du direkt kan blanda med olika material, som plast eller keramik. Vi skulle kunna placera molekylen på skärmen på en smartphone, en medicinteknisk produkt eller ett implantat i kroppen. Vi skulle till och med kunna lägga den i en dyr lyxpåse."