Bioinspirerade nanomaterial kan användas för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive läkemedelstillförsel och vattensanering. Kredit:Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory
Kardborreband. Flygplan. Ekolod. Vad har dessa gemensamt? Uppfinningen av var och en var inspirerad av naturen. Kardborreband efterliknar kardborres förmåga att fästa på kläder. Fåglar i flykt motiverade den slutliga utvecklingen av flygplan. Fladdermöss använder ekolokalisering för att navigera, vilket ger inspiration till ekolod.
Vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) är materialvetaren Chun-Long Chen också intresserad av de modeller som finns i naturen, men i mycket mindre skala. Chen hämtar sin inspiration från molekylära strukturer som finns i naturen; främst från byggstenarna i proteiner, så kallade peptider. Han skapar sekvensdefinierade peptoider – syntetiska proteinliknande molekyler som är mer robusta än naturliga byggstenar – för att utveckla biomimetiska nanomaterial med unika funktioner.
Dessa bioinspirerade nanomaterial visar lovande i en mängd olika tillämpningar, från läkemedelsleverans till solceller. Som en framväxande ledare inom molekylär självmontering skrev Chen, tillsammans med flera av sina tidigare praktikanter, nyligen en recensionsartikel för ett kommande specialnummer av Chemical Reviews . Den här artikeln täcker det senaste inom hierarkiska nanomaterial sammansatta av sekvensdefinierade syntetiska polymerer. Genom denna recension hoppas författarna uppmuntra andra inom närliggande områden att utforska designen av biomimetiska nanomaterial för avancerad energi, biomedicin och miljötillämpningar.
"Jag är väldigt inspirerad av Chun-Longs prestationer inom detta område, och jag tror verkligen att han bara är i början av att upptäcka alla typer av nya tillämpningar för biomimetiska peptoid nanostrukturer", säger Chens tidigare mentor och peptoiduppfinnare Ronald Zuckermann från Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). "Hans forskning öppnar upp en helt ny era av biomimetisk nanovetenskap, där vi kan manipulera syntetiska nanomaterial med atomär precision för att lösa problem inom molekylär igenkänning, katalys och terapi."
Stora applikationer för små material
Chens egen forskning fokuserar på att utveckla sekvensdefinierade peptoider för att efterlikna naturliga proteiner för både biomimetisk kristallisation och sammansättning av biomimetiska material. Strukturerna som bildas av dessa självmonterande molekyler uppvisar egenskaper som är större än de enskilda molekylernas. Proteiner innehåller till exempel flera lager av strukturer. Aminosyror är sammanfogade för att bilda peptidmolekyler som utgör proteinet. Peptider viker sig för att bilda 3D-strukturen som ger proteinet dess funktion. Och på nästa nivå kan flera proteiner samlas för att bilda komplex för unika funktioner utöver de individuella proteinernas förmåga.
Forskaren Chun-Long Chen utvecklar nanomaterial för olika applikationer. Processen börjar med att syntetisera ett proteinliknande material, som sedan frystorkas och används för att göra ett gelliknande material som innehåller miljontals små nanorör. Kredit:Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
"Att skapa syntetiska polymerer som självmonterar till hierarkiska nanomaterial som naturliga makromolekyler är väldigt spännande, men området är fortfarande relativt nytt", säger Chen. "Genom den här recensionen ville vi lyfta fram några av de framsteg som gjorts mot molekylär självmontering av dessa sekvensdefinierade syntetiska polymerer. Vi ville också diskutera de potentiella tillämpningarna av deras självmonterade hierarkiska material inom biomedicinska vetenskaper och förnybar energi. "
Möjligheterna är oändliga för dessa olika funktioner. Hittills har dessa bioinspirerade funktionella material visat sig lovande när det gäller läkemedelstillförsel, molekylär avkänning, fotodynamisk terapi, vattendekontaminering och mer.
"Proteiner innehåller mycket information. Deras aminosyrasekvenser dikterar deras struktur och funktion i våra kroppar. Peptoiderna vi syntetiserar tar denna idé att använda sekvenser för att programmera dessa molekyler för olika funktioner", säger Chen.
"I princip kan vi använda peptoider som en plattform av programmerbara byggstenar och sätta ihop dem som LEGOs för att bygga hierarkiskt material med högt informationsinnehåll med hög programmerbarhet och förutsägbarhet för att möta våra behov. Utmaningen är att få insikten för dessa förutsägelser genom noggrannhet studie av våra framgångar och misslyckanden", sa Chen.
Smider en ny väg för hierarkiska nanomaterial
Nanomaterialen som Chen skapar är notoriskt oförutsägbara. Det är svårt att syntetisera material som kan utföra specificerade funktioner. Chen är dock inte främmande för att övervinna sådana utmaningar. Som doktorand vid Sun Yat-Sen University i Kina började Chen undersöka design och sammansättning av molekyler till supramolekylära strukturer. Detta banade väg för hans arbete som postdoktor vid Mississippi State University, University of Pittsburgh och LBNL, där han arbetade med Zuckermann.
Chun-Long Chen inspekterar etiketten på en flaska för fullständighet. I system där sekvensering av byggstenar avgör deras funktion, är noggrann och detaljerad märkning avgörande för framgång. Kredit:Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Chen rekryterades så småningom till PNNL, där han leder utformningen av sekvensdefinierade peptoider som kan monteras själv.
"Det var mycket trial-and-error involverat i att inte bara skapa molekylerna själva utan att se till att de kunde bilda de större strukturer vi ville att de skulle göra", sa Chen.
Han och hans team satte sig initialt för att skapa molekyler för biomedicinska tillämpningar som läkemedelstillförsel och biologisk avbildning. Snart utökade de sin forskning till ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive vattensanering och batteriforskning.
Mentorskap är viktigt
"Det är en stor ära för vår grupp att vara en del av detta specialnummer av "Molecular Self-Assembly" i Chemical Reviews och för mig att bli inbjuden att skriva en omfattande recension inom området molekylär självmontering av sekvensdefinierade syntetiska polymerer," sade Chen. "Detta är ett stort erkännande av många års hårt arbete på detta område, inklusive våra bidrag från PNNL."
Efter att ha fått den här inbjudan sammanställde Chen omedelbart ett team bestående av två av hans tidigare postdoktorer, Zhiliang Li och Bin Cai, som båda nu är professorer vid Shandong University, och en gästande doktorand:Wenchao Yang, en doktorand från Tianjin University. De tre arbetade tillsammans med Chen som medförfattare för att beskriva den aktuella teknikens ståndpunkt i den molekylära självsammansättningen av peptoider och andra sekvensdefinierade polymerer till hierarkiska nanomaterial och deras potentiella tillämpningar inom energi och biomedicin.
"När jag arbetade med Chun-Long fick jag värdefull kunskap inom området biokemi, såsom design och syntes av biomolekyler, organisk syntes och molekylär självmontering", säger Bin Cai, en före detta postdoktor i Chens grupp vid PNNL. "Dessutom påverkade och formade hans vetenskapliga insikt och optimistiska attityd min karriärriktning. Specifikt, vad jag lärde mig av honom är hur man koncentrerar sig:Hur man fokuserar på en viktig vetenskaplig fråga och gör flera planer för att uppnå det." + Utforska vidare
