Syntetiska polymerer finns överallt i vårt samhälle – från nylon- och polyesterkläder till teflonkokkärl och epoxilim. På molekylär nivå är dessa polymerers molekyler gjorda av långa kedjor av monomerbyggstenar, vars komplexitet ökar funktionaliteten i många sådana material.
I synnerhet sampolymerer, som består av olika typer av monomerer i samma kedja, möjliggör finjustering av materialets egenskaper, säger Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi vid College of Arts and Sciences (A&S). Monomersekvensen spelar en avgörande roll för ett materials egenskaper, men forskare har hittills saknat en metod för att sekvensera syntetiska sampolymerer.
Chen och kollegor har utvecklat CREATS (Coupled Reaction Approach Toward Super-resolution imaging), som gör det möjligt för dem att avbilda polymerisationskatalysreaktioner vid enkelmonomerupplösning och, genom fluorescerande signalering, att skilja monomerer från varandra. Båda är viktiga steg för att upptäcka den molekylära sammansättningen av en syntetisk polymer.
De beskriver tekniken och de första upptäckterna de har gjort med den i "Optical Sequencing of Single Synthetic Polymers", publicerad i Nature Chemistry .
Medförfattare är Rong Ye, Xiangcheng Sun och Xianwen Mao, alla tidigare postdoktorala forskare i Chen-gruppen. Medförfattare är tidigare postdoktorala forskare från Chen-gruppen Susil Baral och Chunming Liu, nuvarande postdoktor Felix Alfonso och Geoffrey Coates, professor vid Tisch University i kemi och kemisk biologi (A&S).
"Syntetiska polymerer är gjorda av monomerenheter sammanlänkade som en sträng av pärlor," sa Chen. I de enklaste polymererna är monomererna identiska, men mer komplexa egenskaper uppstår när polymerer innehåller monomerer av olika slag – så kallade sampolymerer. Det exakta arrangemanget av monomererna i en sampolymer spelar en viktig roll för dess egenskaper, såsom styvhet eller flexibilitet.
Sekvens spelar också en roll i egenskaperna hos naturliga polymerer, sa Chen. Ett protein är till exempel gjort av 20 aminosyror som är arrangerade i en mycket specifik sekvens.
"I en naturlig polymer har naturen kontroll," sa Chen. "Inom syntetiska polymerer gör människor arrangemangen, och kemister har i allmänhet inte den exakta kontrollen."
Sekvensering av sampolymerer är så svårt till stor del på grund av heterogenitet i syntetiska polymerer, sa Chen. Individuella kedjor skiljer sig i längd, sammansättning och sekvens, vilket kräver enkelpolymersekvenseringsmetoder som kan lösa upp och identifiera individuella monomerer.
Vissa moderna metoder tillåter forskare att kontrollera arrangemanget av monomerer i en kedja, sa Chen, men bara för mycket korta polymerer - 10 till 20 monomerer långa.
Med hjälp av CREATS kan forskarna bestämma sekvensen för en polymer när den tillverkas, en monomer i taget, genom att avbilda och identifiera varje enskild monomer när den läggs till polymeren. För att göra monomererna synliga kopplar CREATS polymerisationsreaktionen med en annan reaktion som producerar fluorescerande signaler.
"Varje monomer som går in ger ifrån sig en bloss av ljus," sa Chen. "Ljuset induceras av en laser, och ljusblossen har en färg. I vårt fall är det antingen grönt eller gult. Genom att se om det är gult eller grönt ser vi vilken monomer som går in."
Labbet är redan utrustat för att mäta syntetiska polymeregenskaper. Nu när de kan bestämma sekvensen för en enskild polymer är ett nästa steg att kombinera de två experimenten för att korrelera struktur och funktion, vilket i slutändan ger vägledande principer för polymerdesign för att uppnå vissa egenskaper.
"Om du vet hur sekvens styr egendom, kan du verkligen tänka på att designa vilken sekvens du vill för att uppnå en viss egenskap," sa Chen. "Denna kunskap kan förmodligen hjälpa människor att skräddarsy sitt material för en önskad tillämpning."
Mer information: Rong Ye et al, Optisk sekvensering av enstaka syntetiska polymerer, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01363-2
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Cornell University
