Berkeley Lab-forskare har utvecklat ett rep i nanoskala som flätar sig själv, som ses i denna atomkraftmikroskopbild av strukturen med en upplösning på en miljondels meter.
(PhysOrg.com) – Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har lirkat polymerer för att fläta in sig själva i nanoskaliga rep som närmar sig den strukturella komplexiteten hos biologiska material.
Deras arbete är den senaste utvecklingen i arbetet med att utveckla självmonterande material i nanoskala som efterliknar det invecklade och funktionella i naturens handarbete, men som är tillräckligt robusta för att klara svåra förhållanden som värme och torrhet.
Även om det fortfarande är tidigt i utvecklingsstadiet, deras forskning kan leda till nya tillämpningar som kombinerar det bästa av två världar. Kanske kommer de att användas som ställningar för att styra konstruktionen av nanoskaliga ledningar och andra strukturer. Eller kanske de kommer att användas för att utveckla läkemedelsleveranser som riktar sig mot sjukdomar i molekylär skala, eller att utveckla molekylära sensorer och siktliknande enheter som separerar molekyler från varandra.
Specifikt, forskarna skapade förutsättningarna för syntetiska polymerer som kallas polypeptoider att sätta ihop sig till allt mer komplicerade strukturer:först till ark, sedan i högar av ark, som i sin tur rullar upp till dubbla spiraler som liknar ett rep som bara mäter 600 nanometer i diameter (en nanometer är en miljarddels meter).
"Denna hierarkiska självmontering är kännetecknet för biologiska material som kollagen, men att designa syntetiska strukturer som gör detta har varit en stor utmaning, säger Ron Zuckermann, som är Facility Director för Biological Nanostructures Facility i Berkeley Labs Molecular Foundry.
Dessutom, till skillnad från vanliga polymerer, forskarna kan kontrollera sammansättningen atom-för-atom av ropy-strukturerna. De kan också konstruera spiraler av specifika längder och sekvenser. Denna "avstämningsförmåga" öppnar dörren för utveckling av syntetiska strukturer som efterliknar biologiska materials förmåga att utföra otroliga prestationer av precision, som att söka efter specifika molekyler.
"Naturen använder exakt längd och sekvens för att utveckla mycket funktionella strukturer. En antikropp kan känna igen en form av ett protein framför en annan, och vi försöker härma detta, ”, tillägger Zuckermann.
Zuckermann och kollegor genomförde forskningen vid The Molecular Foundry, som är en av de fem DOE Nanoscale Science Research Centers främsta nationella användarfaciliteter för tvärvetenskaplig forskning på nanoskala. Med honom var andra Berkeley Lab-forskare Hannah Murnen, Adrianne Rosales, Jonathan Jaworski, och Rachel Segalman. Deras forskning publicerades i ett nytt nummer av Journal of the American Chemical Society .
Forskarna arbetade med kedjor av bioinspirerade polymerer som kallas peptoider. Peptoider är strukturer som efterliknar peptider, som naturen använder för att bilda proteiner, biologins arbetshästar. Istället för att använda peptider för att bygga proteiner, dock, forskarna strävar efter att använda peptoider för att bygga syntetiska strukturer som beter sig som proteiner.
Teamet började med en blocksampolymer, som är en polymer som består av två eller flera olika monomerer.
"Enkla blocksampolymerer sätts ihop själv till strukturer i nanoskala, men vi ville se hur den detaljerade sekvensen och funktionaliteten hos bioinspirerade enheter kunde användas för att göra mer komplicerade strukturer, säger Rachel Segalman, en fakultetsforskare vid Berkeley Lab och professor i kemi- och biomolekylär teknik vid University of California, Berkeley.
Med detta i åtanke, peptoidbitarna var robotsyntetiserade, bearbetade, och läggs sedan till en lösning som främjar självmontering.
Resultatet blev en mängd olika självgjorda former och strukturer, med de flätade spiralerna som de mest spännande. Helixens hierarkiska struktur, och dess förmåga att manipuleras atom för atom, innebär att den skulle kunna användas som mall för att mineralisera komplexa strukturer på nanometerskala.
"Tanken är att sätta samman strukturellt komplexa strukturer på nanometerskala med minimal insats, ” säger Hannah Murnen. Hon tillägger att forskarnas nästa hopp är att dra nytta av det faktum att de har minimal kontroll över strukturens sekvens, och utforska hur mycket små kemiska förändringar förändrar den spiralformade strukturen.
säger Zuckermann, "Dessa flätade spiraler är ett av de första försöken att göra atomiskt definierade blocksampolymerer. Tanken är att ta något som vi vanligtvis tänker på som plast, och göra det möjligt för den att anta strukturer som är mer komplexa och kan ha högre funktion, som molekylär igenkänning, vilket är vad proteiner gör riktigt bra."
Röntgendiffraktionsexperiment som användes för att karakterisera strukturerna utfördes vid strållinjerna 8.3.1 och 7.3.3 i Berkeley Labs Advanced Light Source, en nationell användaranläggning som genererar intensiva röntgenstrålar för att undersöka ämnens grundläggande egenskaper. Detta arbete stöddes delvis av Office of Naval Research.
