Se vuoi costruire una casa alta, devi usare le impalcature. Il professor Ye Zhang e i colleghi dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) stanno applicando questo principio di costruzione al loro lavoro di laboratorio, con una grande differenza:i materiali con cui lavorano sono solo pochi miliardesimi di metro quadrato.

La costruzione su nanoscala è un campo della nanotecnologia che utilizza i nanomateriali come elementi costitutivi di base per creare materiali con caratteristiche specifiche. Nei primi giorni del campo, i ricercatori hanno studiato il potenziale della costruzione di strutture su nanoscala/microscala utilizzando singoli componenti molecolari. Ora, gli scienziati sono ispirati dal mondo biologico che implica un processo molto più complesso con interazioni tra molti componenti diversi.

Negli organismi viventi, strutture molecolari complesse sono costantemente costruite e decostruite durante il ciclo di vita dell'organismo. Ad esempio, per muoversi all'interno del corpo, le cellule devono interagire con il loro ambiente esterno, nota come matrice extracellulare (ECM). L'ECM è l'impalcatura fibrosa naturale che fornisce supporto strutturale e biochimico alle cellule circostanti. Per creare spazio per se stessi per muoversi, le cellule secernono enzimi proteasici, che digeriscono parzialmente l'ECM. Al contrario, le molecole nell'ECM possono anche supportare o sopprimere i processi all'interno della cellula stessa.

Prendendo ispirazione dai metodi di costruzione biologica utilizzati nelle cellule e dall'ECM, l'Unità Soft Matter Bioispirata, guidato dal Prof. Zhang, ha progettato e sintetizzato un toolkit su nanoscala di molecole che possono interagire tra loro per assemblare strutture molecolari complesse. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

I ricercatori hanno progettato e sintetizzato due molecole basate su un composto chimico organico profumato chiamato cumarina. Uno è una molecola peptidica che si autoassembla in nanofibre. Questi si uniscono per formare un "impalcatura" molecolare. L'altra è una molecola di benzoato che si autoassembla in nanostrutture simili a fogli. Questi fogli formano "mattoni" molecolari che a loro volta prendono forma come torri molecolari. Quando queste molecole sono mescolate insieme, si separano per tipo, si autoassemblano e poi interagiscono insieme per costruire strutture molecolari di ordine superiore.

I ricercatori hanno modificato la struttura dell'impalcatura molecolare utilizzando la luce UV o un enzima per tagliare le nanofibre, che ha permesso loro di manipolare l'altezza della "torre molecolare". Hanno usato microscopi elettronici a scansione presso l'OIST per osservare le caratteristiche strutturali delle molecole, come strati e forme. Quindi, con l'aiuto dei tecnici OIST, hanno usato la microscopia a forza atomica per misurare l'altezza esatta delle torri molecolari in nanometri.

Hanno dimostrato che l'impalcatura peptidica fibrosa regola l'altezza e l'architettura della torre molecolare. Con l'aiuto di questa impalcatura, che fornisce supporto attraverso interazioni di superficie tra le nanostrutture, i mattoni di benzoato possono formare strutture più alte. "Mentre i mattoni molecolari da soli possono costruire torri fino a 100 nanometri, quando abbiamo aggiunto la fibra, potrebbero costruire torri fino a 900 nanometri, " dice il prof. Zhang.

Imitando il processo di autoassemblaggio molecolare che avviene negli organismi viventi, i chimici possono apprendere nuovi metodi di sintesi chimica di nano/micro-strutture. Nel futuro, la Bioinspired Soft Matter Unit spera di costruire molecole specifiche sulle membrane biologiche per regolare i destini cellulari. Ad esempio, costruendo molecole sulle membrane cellulari, sperano di poter un giorno manipolare l'organizzazione spaziale delle proteine ​​di membrana.