Naturen är fylld av utomordentligt precisa molekylära former som passar ihop som hand i handske. Proteiner kan till exempel sättas samman till en mängd olika väldefinierade former som ger dem deras funktion.
"Beroende på deras form kan proteiner passa ihop med andra proteiner för att utföra funktioner eller funktionsfel genom att klumpa ihop sig, som observerats vid Alzheimers sjukdom", säger materialforskaren Chun-Long Chen.
"Att förstå hur de sätts ihop, och ursprunget till deras speciella form, kan vara betydelsefullt för olika tillämpningar som läkemedelstillförsel, diagnostik och terapi."
I studier publicerade i Nature Communications och Angewandte Chemie , Chen och hans PNNL-kollegor undersökte hur man kontrollerar dessa former genom att skapa peptoidbaserade material inspirerade av naturen.
Han använder dessa sofistikerade proteinliknande molekyler för att designa ämnen för energitillämpningar, som att skörda ljus eller bryta ner vedartat lignin. Under det senaste decenniet har Chen och hans team vid Pacific Northwest National Laboratory utvecklat en plattform för att skapa designpeptoidbaserade funktionella material och karaktärisera deras beteende.
"Peptoider har potential att användas i en mängd olika tillämpningar", säger Chen. "Baserat på deras sammansatta former och andra egenskaper är det möjligt att designa peptoider som läkemedelstillförselmedel eller artificiella enzymer."
Som handen i handsken
Chen och hans kollegor samarbetade med University of Washington, University of Chicago och Georgia Institute of Technology för att designa peptoidsammansättningar med exakta former. Deras experiment går ut på att styra helixens "handedness". Helices kan vara "vänsterhänta" eller "högerhänta" beroende på i vilken riktning de går i spiral. Deras resultat publicerades i Nature Communications .
"Handhet är extremt viktigt när man designar specialiserade molekyler, som mediciner," sade Chen. "Att förstå och kontrollera denna handenhet kan ge insikter i processer som proteinsammansättning och kan vara värdefullt för att hitta botemedel mot proteinveckningsrelaterade sjukdomar som Alzheimers sjukdom."
För detta experiment valde Chen och hans team att följa korkskruvsliknande spiralformade strukturer på grund av deras biologiska betydelse. Faktum är att de flesta proteiner innehåller dessa grundläggande spiralformade strukturer.
Tidigare peptoidsyntesmetoder skulle ge en blandning av vänster- och högerhänta helixar. I naturen måste proteiner vara i en specifik konformation för att utföra sina funktioner – de flesta är vänsterhänta.
"Andra grupper före oss kunde syntetisera peptoid nanohelices, men att exakt kontrollera deras former och handenhet förblev en utmaning," sa Chen. "Att kunna kontrollera sina former skulle inte bara öppna dörren för att designa framtida material, det skulle också ge insikter i biologiska processer som involverar dessa strukturer."
Genom att använda en kombination av experimentella och beräkningstekniker upptäckte Chen och hans team ett sätt att kontrollera handedness av en peptoid helix. I likhet med proteiner skapas peptoider från aminosyraliknande byggstenar.
Varje byggsten har samma "ryggrad"-atomer som bildar peptoidbindningar, men varje enskild länk i kedjan kan variera enormt. Chens grupp fann att de kunde kontrollera formen på helixen genom att manipulera sekvensen av peptoida sidokedjorna.
För att ytterligare undersöka hur peptoider kan samlas, samarbetade Chen med kollegor från University of Washington, Harvard University, Binghamton University och Zhejiang Sci-Tech University. Genom att utöka sina tidigare tvådimensionella studier av peptoidstrukturer kunde teamet framgångsrikt utveckla en tredimensionell spiralformad nanostruktur.
De observerade att inkluderingen av speciella "funktionella grupper" av atomer i deras peptoidsekvenser gjorde det möjligt för dem att skapa strukturer med speciella funktioner - liknande proteinsammansättningar. Deras arbete publicerades i Angewandte Chemie .
"Även om detta är en grundläggande studie, ger den här forskningen oss ytterligare insikter om hur vi kan skapa bättre, mer exakta material - som de som finns i naturen - för specifika applikationer", säger Chen. "Peptoider har potential att användas i en mängd olika applikationer. Baserat på deras struktur och andra egenskaper är det möjligt att designa peptoider som läkemedelstillförselmedel eller artificiellt ljusupptagningssystem."
I framtiden hoppas Chen och hans team kunna skapa ett brett utbud av peptoidbaserade nanomaterial för applikationer. Att kontrollera peptoidformen, som beskrivs i deras forskningsartiklar, är bara det första steget.
Mer information: Renyu Zheng et al, Montering av korta amfifila peptoider till nanohelixar med kontrollerbar supramolekylär kiralitet, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46839-y
Li Shao et al, Hierarchical Self-Assembly of Multidimensional Functional Materials from Sequence-Defined Peptoids, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202403263
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition , Angewandte Chemie , Nature Communications
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
