Proteinliknande molekyler som kallas "polypeptoids" (eller "peptoids, "förkortat) har stora löften som precisionsbyggstenar för att skapa en mängd olika designernanomaterial, som flexibla nanoark – ultratunna, 2D-material i atomär skala. De kan främja ett antal tillämpningar – som syntetiska, sjukdomsspecifika antikroppar och självreparerande membran eller vävnad — till en låg kostnad.

För att förstå hur man gör dessa applikationer till verklighet, dock, forskare behöver ett sätt att zooma in på en peptoids atomstruktur. Inom materialvetenskap, forskare använder vanligtvis elektronmikroskop för att nå atomupplösning, men mjuka material som peptoider skulle sönderfalla under den hårda bländningen från en elektronstråle.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har anpassat en teknik som utnyttjar elektronernas kraft för att visualisera ett mjukt materials atomstruktur samtidigt som det hålls intakt.

Deras studie, publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , visar för första gången hur kryo-EM (kryogen elektronmikroskopi), en Nobelprisvinnande teknik som ursprungligen utformades för att avbilda proteiner i lösning, kan användas för att avbilda atomära förändringar i ett syntetiskt mjukt material. Deras resultat har implikationer för syntesen av 2D-material för en mängd olika tillämpningar.

"Alla material vi rör fungerar på grund av hur atomer är ordnade i materialet. Men vi har inte den kunskapen för peptoider eftersom till skillnad från proteiner, atomstrukturen hos många mjuka syntetiska material är rörig och svår att förutsäga, sa Nitash Balsara, en senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, och professor i kemiteknik vid UC Berkeley, som ledde studien. "Och om du inte vet var atomerna är, du flyger blind. Vår användning av cryo-EM för avbildning av peptoider kommer att sätta en tydlig väg för design och syntes av mjuka material på atomär skala."

Titta hårt på mjuka material

De senaste 13 åren, Balsara har lett ett försök att avbilda mjuka material i atomär skala genom Berkeley Labs mjuka materiaelektronmikroskopiprogram. För den aktuella studien, han gick samman med Ronald Zuckermann, en senior forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry som först upptäckte peptoider för nästan 30 år sedan i sitt sökande efter nya polymerer - material gjorda av långa, upprepade kedjor av små molekylära enheter som kallas "monomerer" - för riktade läkemedelsterapier.

"Denna studie kommer från många års forskning här på Berkeley Lab. Att göra ett material och se atomerna - det är min karriärs dröm, sa Zuckermann, som ledde studien tillsammans med Balsara.

Till skillnad från de flesta syntetiska polymerer, peptoider kan fås att ha en exakt sekvens av monomerenheter, en vanlig egenskap hos biologiska polymerer, som proteiner och DNA.

Och som naturliga proteiner, peptoider kan växa eller självmontera till distinkta former för specifika funktioner - som spiraler, fibrer, nanorör, eller tunna och platta nanoark.

Men till skillnad från proteiner, peptoidernas molekylära struktur är vanligtvis amorf och oförutsägbar – som en hög med våta nudlar. Och att reda ut en sådan oförutsägbar struktur har länge varit ett hinder för materialforskare.

Fastnar peptoider med cryo-EM

Så forskarna vände sig till cryo-EM, som snabbfryser peptoiderna vid en temperatur på cirka 80 kelvin (eller minus 316 grader Fahrenheit) på mikrosekunder. Den ultrakalla temperaturen hos cryo-EM låser i strukturen på arket och förhindrar också att elektronerna förstör provet.

För att skydda mjuka material, cryo-EM använder färre elektroner än konventionell elektronmikroskopi, vilket resulterar i spöklika svartvita bilder. För att bättre dokumentera vad som händer på atomnivå, hundratals av dessa bilder är tagna. Sofistikerade matematiska verktyg kombinerar dessa bilder för att skapa mer detaljerade bilder i atomskala.

För studien, forskarna tillverkade nanoark i lösning av korta peptoidpolymerer gjorda av en kedja av sex hydrofoba monomerer, kända som "aromatics, " ansluten till fyra hydrofila polyetermonomerer. De hydrofila eller "vattenälskande" monomererna attraheras av vattnet i lösningen, medan de hydrofoba eller "vattenhatande" monomererna undviker vattnet, orientera molekylerna för att bilda kristallina nanoskivor som bara är en molekyl tjocka (cirka 3 nanometer, eller 3 miljarddelar av en meter).

Huvudförfattare Sunting Xuan, en postdoktor vid avdelningen för materialvetenskap, syntetiserade peptoid nanosheets och använde röntgenspridningstekniker vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) för att karakterisera deras molekylära struktur. ALS producerar ljus i en mängd olika våglängder för att möjliggöra studier av provernas struktur och kemi i nanoskala, bland andra fastigheter.

Xi Jiang, en projektforskare på Materials Sciences Division, fångade högkvalitativa bilder och utvecklade de algoritmer som är nödvändiga för att uppnå atomupplösning i peptoidavbildningen.

David Prendergast, senior forskare och tillfällig chef för Molecular Foundry, modellerade atomsubstitutioner i peptoiderna, och Nan Li, en postdoktor vid Molecular Foundry, utförde simuleringar av molekylär dynamik för att upprätta en atomisk modell av nanoarket.

Kärnan i teamets upptäckt var deras förmåga att snabbt iterera mellan materialsyntes och atomavbildning. Precisionen i peptoidsyntes, tillsammans med forskarnas förmåga att direkt avbilda placeringen av atomer med hjälp av cryo-EM, tillät dem att konstruera peptoiden på atomnivå. Till deras förvåning, när de skapade flera nya varianter av peptoidmonomersekvensen, nanoskivans atomära struktur förändrades på ett mycket ordnat sätt.

Till exempel, när ytterligare en bromatom tillsattes till varje aromatisk ring, formen på varje peptoidmolekyl förblev oförändrad men utrymmet mellan raderna ökade med precis tillräckligt för att rymma de ytterligare bromatomerna.

Vidare, när fyra ytterligare varianter av peptoid nanosheet-strukturen avbildades, forskarna märkte en anmärkningsvärd enhetlighet över deras atomära struktur, och att nanoarken delade samma form av peptoidmolekyler. Detta gjorde det möjligt för dem att på ett förutsägbart sätt konstruera nanoarkstrukturen, sa Zuckermann.

"Att ha så mycket kontroll på atomär skala i mjuka material var helt oväntat, sa Balsara, eftersom det antogs att endast proteiner kunde bilda definierade former när du har en specifik sekvens av monomerer - i deras fall, aminosyror.

Ett team förhållningssätt till nya material

I nästan fyra decennier, Berkeley Lab har flyttat gränserna för elektronmikroskopi till vetenskapsområden som en gång ansågs omöjliga att utforska med en elektronstråle. Banbrytande arbete av forskare vid Berkeley Lab spelade också en nyckelroll i 2017 års Nobelpris i kemi, som hedrade utvecklingen av cryo-EM.

"De flesta skulle säga att det inte är möjligt att utveckla en teknik som kan placera och se enskilda atomer i ett mjukt material, ", sa Balsara. "Det enda sättet att lösa svåra problem som detta är att samarbeta med experter över vetenskapliga discipliner. På Berkeley Lab, vi arbetar som ett team."

Zuckermann tillade att den aktuella studien bevisar att kryo-EM-tekniken kan tillämpas på ett brett utbud av vanliga polymerer och andra industriella mjuka material, och kan leda till en ny klass av mjuka nanomaterial som viker sig till proteinliknande strukturer med proteinliknande funktioner.

"Detta arbete sätter scenen för materialforskare att ta sig an utmaningen att göra konstgjorda proteiner till verklighet, " han sa, och tillägger att deras studie också positionerar teamet för att arbeta med att lösa en mängd spännande problem, och att "höja människors medvetenhet om att de, för, kan börja titta på atomstrukturen hos deras mjuka material med hjälp av dessa kryo-EM-tekniker."