Dubbla spiralformade kovalenta polymerer – som är spiralformade samlingar av naturens byggstenar – är grundläggande för livet självt, och ändå, trots årtionden av forskning, vetenskapsmän har aldrig kunnat syntetisera dem i sin helhet som deras icke-spiralformade bröder – förrän nu.

Forskare, ledd av ett team vid University of Colorado Boulder, har knäckt koden, skapa syntetiska versioner av dessa stora DNA-liknande molekyler för första gången. Med hjälp av dynamisk kovalent kemi, som är ett kemiverktyg som tagits fram av dessa forskare och som fokuserar på reversibla bindningsinteraktioner med självkorrigeringsförmåga, de kunde inte bara konstruera en spiralformad kovalent polymer som konkurrerar med sofistikeringen av de som finns i naturen utan bekräftar dess existens med absolut säkerhet med hjälp av enkristallröntgendiffraktion (en kraftfull, oförstörande sätt att karakterisera enkristaller med hjälp av ljus).

Tidigare, forskare har bara kunnat lösa enskilda delar av pusslet. Denna nya upptäckt kom ut förra veckan i Naturkemi , fastän, avslutar det, potentiellt öppna detta kritiska och understuderade fält för ny forskning som kan få konsekvenser för allt från skapande av artificiella enzymer, som redan har rönt framgång i olika medicinska tillämpningar, till skapandet av biomimetiska material (material som efterliknar processer som finns i naturen).

"Människor kan mycket sällan se vad som verkligen händer i syntetiska polymerer när det gäller atomernas rumsliga platser, interaktioner mellan kedjor, hur de binder sig, hur de tvinnas och slingrar sig på atomnivå, sa Wei Zhang, en författare om studien och en professor i kemi vid CU Boulder. "Med enkristaller, fastän, vi kan verkligen experimentellt visualisera atomen, obligationerna, hur lång tid är det, hur de interagerar. Det är därför att få en kristallstruktur av en polymer är en mycket, mycket stor sak."

Polymerer är ämnen eller material som bildas genom uppbyggnad av massor av mindre, liknande enheter (som glukos och aminosyror) binder samman antingen naturligt eller syntetiskt. Naturligt förekommande polymerer kan innefatta silke, ull, DNA, proteiner, enzymer och cellulosa, medan syntetiska polymerer tillverkas av antingen forskare eller ingenjörer och inkluderar material som plast.

Syntetiska polymerer finns i många former beroende på deras konstruktion - oavsett om de är linjära eller spiralformade, antalet trådar, och längden på trådarna. Av dem, spiralformade polymerer har varit de mest utmanande för forskare att syntetiskt replikera, med den dubbelsträngade som den svåraste av alla, hittills begränsad till endast korta spiralformade oligomerer (en polymer med mycket få repeterande enheter).

Det är, fram till denna nya forskning.

Zhang och kollegor kunde använda ett kemiskt verktyg som de har banat väg för, dynamisk kovalent kemi, för att konstruera en DNA-liknande kovalent spiralformad polymer. När de gjorde det, den stora molekylen var inte det enda de upptäckte.

De hittade också enkristaller.

"Det kom som en trevlig överraskning, " kommenterade Zhang. "I slutet av reaktionen när vi märkte att det fanns några lysande enkristaller som låg på botten av reaktionskärlet, vi var glada. Vi sa, "Wow! Okej, låt oss ge det (röntgendiffraktion) ett skott." Att få en enda kristall av en polymer är extremt sällsynt."

Genom att använda enkristallsynkrotronröntgendiffraktion, forskarna kunde bekräfta, utan tvekan, att de hade skapat det som tidigare varit omöjligt.

Denna upptäckt, fastän, är bara början både för dem och detta kritiska studieområde.

Efter att de dykt lite djupare in i själva strukturen, forskarna planerar att leka med och utforska själva strukturen, se om de kan göra själva kristallerna större (just nu är de ganska små), och om de kan kontrollera kiraliteten, eller spiral natur, av polymeren, som kan ha breda konsekvenser för katalys (kemisk reaktionsprocess med katalysatorer), signaltransduktion (hur signaler skickas genom cellen) och avkänningsapplikationer.

"Det finns mycket rationell design, syntes, struktur-egendom relationsarbete som vi behöver göra, Zhang sa. "I slutändan vill vi visa att detta är en mycket kraftfull plattform för smart design av biomimetiska material."