Tack vare ett team av forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign och University of Massachusetts Amherst, forskare kan läsa mönster på långa kedjor av molekyler för att förstå och förutsäga beteendet hos oordnade strängar av proteiner och polymerer. Resultaten kan, bland annat, bana väg för att utveckla nya material från syntetiska polymerer.

Charles Sings labb, biträdande professor i kemi- och biomolekylär teknik vid Illinois, gav teorin bakom upptäckten, som sedan verifierades genom experiment utförda i Sarah Perrys labb, biträdande professor i kemiteknik vid UMass Amherst, och Illinois alumn. Samarbetspartnerna beskrev sina resultat i en artikel med titeln "Designing Electrostatic Interactions via Polyelectrolyte Monomer Sequence" publicerad i ACS (American Chemical Society) Central Science .

Kollegorna försökte förstå fysiken bakom den exakta sekvensen av laddade monomerer längs kedjan och hur det påverkar polymerens förmåga att skapa självmonterande flytande material som kallas komplexa koacervat.

"Det som jag tycker är spännande med det här arbetet är att vi hämtar inspiration från ett biologiskt system, "Sing sa. "Den typiska bilden av ett protein visar att det viker sig till en mycket exakt struktur. Detta system, dock, är baserad på i sig störda proteiner."

Den här artikeln bygger på tidigare resultat från Perry and Sing från 2017, som i slutändan syftar till att bidra till smart materialdesign.

"Vårt tidigare papper visade att dessa sekvenser spelar roll, den här visar varför de betyder något, " Sing förklarade. "Den första visade att olika sekvenser ger olika egenskaper i komplex coacervering. Vad vi nu kan göra är att använda en teori för att faktiskt förutsäga varför de beter sig så här."

Till skillnad från strukturerade proteiner, som interagerar med mycket specifika bindande partners, de flesta syntetiska polymerer gör det inte.

"De är suddigare eftersom de kommer att reagera med ett brett spektrum av molekyler i sin omgivning, " Sing förklarade.

De fann att trots detta faktum, den exakta sekvensen av monomererna längs ett protein (aminosyrorna) gör verkligen skillnad.

"Det har varit uppenbart för biofysiker att sekvensen gör stor skillnad om de bildar en mycket exakt struktur, " sa Sing. "Som det visar sig, det gör också stor skillnad om de bildar oprecisa strukturer."

Även ostrukturerade proteiner har en precision förknippad med dem. Monomerer, byggstenarna i komplexa molekyler, är länkarna till kedjan. Vad Sings grupp teoretiserade är att genom att känna till sekvensen av polymerer och monomerer och laddningen (positiv, negativa eller neutrala) förknippade med dem, man kan förutsäga de fysikaliska egenskaperna hos de komplexa molekylerna.

"Medan forskare har vetat att om de sätter olika laddningar på olika ställen i ett av dessa i sig störda proteiner, de faktiska termodynamiska egenskaperna förändras, " sa Sing.

"Vad vi kan visa är att du faktiskt kan ändra styrkan på detta genom att ändra det på sekvensen mycket specifikt. Det finns fall här som genom att ändra sekvensen med bara en enda monomer (en enda länk i den kedjan), det kan drastiskt förändra hur dessa saker kan formas. Vi har också bevisat att vi kan förutsäga resultatet."

Sing tillägger att denna information är värdefull för biofysiker, både bioingenjörer och materialvetare. Denna upptäckt kommer att hjälpa ingenjörer att förstå en bred klass av proteiner och justera proteiner för att modifiera deras beteende. Det ger dem ett nytt sätt att lägga in information i molekyler för att bygga nya material och göra en bättre gissning om hur dessa egenskaper beter sig.

Materialforskare kan, till exempel, använd denna information för att ha en nivå av kontroll över ett material för att få det att samlas till mycket komplicerade strukturer eller göra membran som exakt filtrerar bort föroreningar i vatten. Deras förhoppning är att forskare, inspirerad av biopolymerer, kan ta denna förmåga att förutsäga de fysiska beteendena helt enkelt genom att läsa sekvensen för att i slutändan designa nya smarta material på detta sätt.

"Detta för i någon mening biologi och syntetiska polymerer närmare varandra, " sa Sing. "Till exempel, Vid slutet av dagen, det är ingen större skillnad i kemin mellan proteiner och nylon. Biologin använder den informationen för att instruera hur livet går till. Om du kan ange identiteten för dessa olika länkar specifikt, det är värdefull information för ett antal andra applikationer."