Forskare strävar efter att bygga nanostrukturer som efterliknar komplexiteten och funktionen hos naturens proteiner, men är gjorda av hållbara och syntetiska material. Dessa mikroskopiska widgets kan anpassas till otroligt känsliga kemiska detektorer eller långvariga katalysatorer, för att nämna några möjliga tillämpningar.

Men som med alla hantverk som kräver extrem precision, forskare måste först lära sig hur man finslipar de material de kommer att använda för att bygga dessa strukturer. En upptäckt av forskare från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), och rapporterade 7 oktober i förhandspubliceringen av tidskriften Natur , är ett stort steg i denna riktning.

Forskarna upptäckte en designregel som gör att ett nyligen skapat material kan existera. Materialet är ett peptoid nanoark. Det är en platt struktur som bara är två molekyler tjock, och den består av peptoider, som är syntetiska polymerer nära besläktade med proteinbildande peptider.

Designregeln styr det sätt på vilket polymerer sammanfogar för att bilda ryggraden som löper längs nanoark. Förvånande, dessa molekyler länkar samman i ett motroterande mönster som inte syns i naturen. Detta mönster gör att ryggraden förblir linjär och otvinnad, en egenskap som gör peptoid nanosheets större och plattare än någon biologisk struktur.

Berkeley Labs forskare säger att denna aldrig tidigare skådade designregel kan användas för att sätta ihop komplexa nanoarkstrukturer och andra peptoidsammansättningar som nanorör och kristallina fasta ämnen.

Vad mer, de upptäckte det genom att kombinera datorsimuleringar med röntgenspridning och avbildningsmetoder för att fastställa, för första gången, atomupplösningsstrukturen för peptoid nanosheets.

"Denna forskning föreslår nya sätt att designa biomimetiska strukturer, " säger Steve Whitelam, en medförfattare till Nature-tidningen. "Vi kan börja fundera på att använda andra designprinciper än vad naturen erbjuder."

Whitelam är en stabsforskare vid Theory Facility vid Molecular Foundry, en DOE Office of Science-användaranläggning belägen vid Berkeley Lab. Han ledde forskningen tillsammans med den korresponderande författaren Ranjan Mannige, en postdoktor vid Molecular Foundry; och Ron Zuckermann, som leder Molecular Foundrys Biological Nanostructures Facility. De använde de högpresterande datorresurserna från National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en annan DOE Office of Science-användaranläggning belägen vid Berkeley Lab.

Peptoid nanosheets upptäcktes av Zuckermanns grupp för fem år sedan. De fann att under de rätta förhållandena, peptoids självmonterar till tvådimensionella sammansättningar som kan växa hundratals mikron i diameter. Detta "molekylära papper" har blivit ett hett prospekt som en proteinhärmande plattform för molekylär design.

För att lära dig mer om detta potentiella byggmaterial, forskarna försökte lära sig dess atomupplösningsstruktur. Detta innebar feedback mellan experiment och teori. Mikroskopi och spridningsdata som samlats in vid Molecular Foundry och Advanced Light Source, också en DOE Office of Science-användaranläggning belägen vid Berkeley Lab, jämfördes med simuleringar av molekylär dynamik utförda vid NERSC.

Forskningen avslöjade flera nya saker om peptoid nanosheets. Deras molekylära sammansättning varierar genom deras struktur, de kan endast bildas av peptoider av en viss minimilängd, de innehåller vattenfickor, och de är potentiellt porösa när det gäller vatten och joner.

Dessa insikter är spännande i sig, men när forskarna undersökte strukturen av nanosheets ryggrad, de blev förvånade över att se en designregel som inte hittades inom proteinstrukturbiologin.

Här är skillnaden:I naturen, proteiner är sammansatta av betablad och alfaspiraler. Dessa grundläggande byggstenar är själva sammansatta av ryggraden, och polymererna som utgör dessa ryggrader är alla sammanfogade med samma regel. Varje intilliggande polymer roterar stegvis i samma riktning, så att en vridning går längs ryggraden.

Denna regel gäller inte peptoid nanosheets. Längs deras ryggrad, intilliggande monomerenheter roterar i motsatta riktningar. Dessa motrotationer tar ut varandra, vilket resulterar i en linjär och otvinnad ryggrad. Detta gör att ryggraden kan kaklas i två dimensioner och förlängas till stora ark som är plattare än vad naturen kan producera.

"Det var en stor överraskning att finna designregeln som gör peptoid nanosheets möjliga har gäckat biologin fram till nu, ", säger Mannige. "Denna regel skulle kanske kunna användas för att bygga många fler orealiserade strukturer."

Tillägger Zuckermann, "Vi förväntar oss också att det finns andra designprinciper som väntar på att upptäckas, vilket kan leda till ännu fler biomimetiska nanostrukturer."