Kredit:Shibananda Das
I en upptäckt med omfattande implikationer tillkännagav forskare vid University of Massachusetts Amherst nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences att likformigt laddade makromolekyler – eller molekyler, som proteiner eller DNA, som innehåller ett stort antal atomer alla med samma elektriska laddning – kan självbilda sig till mycket stora strukturer. Detta fynd ökar vår förståelse av hur några av livets grundläggande strukturer är uppbyggda.
Traditionellt har forskare förstått laddade polymerkedjor som sammansatta av mindre, enhetligt laddade enheter. Sådana kedjor, som kallas polyelektrolyter, uppvisar förutsägbara beteenden för självorganisering i vatten:De kommer att stöta bort varandra eftersom liknande laddade objekt inte gillar att vara nära varandra. Om du tillsätter salt till vatten som innehåller polyelektrolyter, lindas molekylerna ihop, eftersom kedjornas elektriska repulsion avskärmas av saltet.
Men "spelet är väldigt annorlunda när du har dipoler", säger Murugappan Muthukumar, Wilmer D. Barrett professor i polymervetenskap och teknik vid UMass Amherst, studiens senior författare.
Medan många molekyler har antingen en positiv eller negativ laddning, har dipoler båda. Detta innebär att polymerer som består av dipoler beter sig mycket annorlunda än de mer välkända polyelektrolyterna, som har antingen en positiv eller negativ elektrisk laddning:de expanderar i en saltlösning och kan bilda tvärbindningar med andra dipolpolymerkedjor, vilket sedan leder till bildningen av komplexa polymerstrukturer.
Di Jia, som avslutade denna forskning som en del av sin postdoktorala utbildning vid UMass Amherst och är studiens huvudförfattare, säger att "dipoler kan få polyelektrolyter att bete sig mer som polyzwitterioner, som uppvisar en 'anti-polyelektrolyteffekt'. Denna effekt är också ett kännetecken för de traditionella kemiska polyzwitterjonerna, vars dipoler är gjorda av kemiska bindningar. Därför, för fysiska polyzwitterioner i utspädda lösningar, ökar polymerstorleken med ökande jonstyrka, vilket uppvisar en kula-till-spiral-övergång pga. till dipolinteraktionerna inom kedjan."
Dipolära polymerer kan bilda komplexa, självreglerande strukturer som kan användas i allt från läkemedelsleveranssystem till nästa generations polymerer. "Vi har en teori om att dessa dipolära krafter i laddade makromolekyler spelar en betydande roll i nästan alla biologiska sammansättningsprocesser, såsom spontan födelse av membranlösa organeller", säger Muthukumar.
Vidare uppvisar dessa dipol-sammansatta polymerer ett "mellantillstånd", kallat "mesomorfism". I det mesomorfa tillståndet är polymererna varken vitt spridda eller tätt lindade, utan samlas i stora, stabila, enhetliga strukturer som har förmågan att "självförgifta" eller lösas upp.
"Betydningen av upptäckten att dipoler driver sammansättningen av polymerer är enorm", säger Muthukumar, "eftersom den kastar nytt ljus över ett av de grundläggande mysterierna i livets processer", eller hur biologiska material vet hur man självmonterar till sammanhängande, stabila strukturer. "Teorin ändrar paradigmet för hur vi tänker om dessa system, och belyser den okända roll som dipoler spelar i självmontering av biologiska material." + Utforska vidare
