Un rendering (grigio e rosa) della struttura molecolare di un polimero peptoide che è stato studiato da un team guidato da Berkeley Lab e UC Berkeley. Il successo del team nell'imaging della struttura su scala atomica dei polimeri potrebbe informare nuovi progetti per la plastica, come quelle che formano le borracce mostrate sullo sfondo. Credito:Berkeley Lab, Charles Rondeau/PublicDomainPictures.net
Da bottiglie d'acqua e contenitori per alimenti a giocattoli e tubi, molti materiali moderni sono fatti di plastica. E mentre produciamo circa 110 milioni di tonnellate all'anno di polimeri sintetici come polietilene e polipropilene in tutto il mondo per questi prodotti in plastica, ci sono ancora misteri sui polimeri su scala atomica.
A causa della difficoltà di catturare immagini di questi materiali su scale minuscole, le immagini dei singoli atomi nei polimeri sono state realizzate solo in simulazioni e illustrazioni al computer, Per esempio.
Ora, un gruppo di ricerca guidato da Nitash Balsara, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di energia e professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'UC Berkeley, ha adattato una potente tecnica di imaging a base di elettroni per ottenere un'immagine della struttura su scala atomica in un polimero sintetico. Il team includeva ricercatori del Berkeley Lab e dell'UC Berkeley.
La ricerca potrebbe in definitiva informare i metodi di fabbricazione dei polimeri e portare a nuovi progetti per materiali e dispositivi che incorporano polimeri.
Nel loro studio, pubblicato nell'American Chemical Society's macromolecole rivista, i ricercatori descrivono in dettaglio lo sviluppo di una tecnica di imaging di microscopia elettronica criogenica, aiutato da simulazioni computerizzate e tecniche di smistamento, che ha identificato 35 disposizioni di strutture cristalline in un campione di polimero peptoide. I peptoidi sono molecole prodotte sinteticamente che imitano le molecole biologiche, comprese le catene di amminoacidi note come peptidi.
Il campione è stato sintetizzato roboticamente presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, un DOE Office of Science User Facility per la ricerca sulle nanoscienze. I ricercatori hanno formato fogli di polimeri cristallizzati che misurano circa 5 nanometri (miliardesimi di metro) di spessore quando dispersi in acqua.
"Abbiamo condotto i nostri esperimenti sulle molecole polimeriche più perfette che potessimo realizzare, " ha detto Balsara:i campioni peptoidi nello studio erano estremamente puri rispetto ai tipici polimeri sintetici.
La struttura simulata su scala atomica (in alto) e l'imaging su scala atomica media (in basso) di un campione di polimero peptoide. La barra di vendita è di 10 angstrom, o 1 miliardesimo di metro. Credito:Berkeley Lab, UC Berkeley
Il team di ricerca ha creato minuscole scaglie di nanofogli peptoidi, li ha congelati per preservare la loro struttura, e poi li ha ripresi usando un fascio di elettroni. Una sfida intrinseca nei materiali di imaging con una struttura morbida, come polimeri, è che il raggio utilizzato per catturare le immagini danneggia anche i campioni.
Le immagini di microscopia elettronica criogenica diretta, ottenuta utilizzando pochissimi elettroni per ridurre al minimo il danno del fascio, sono troppo sfocate per rivelare i singoli atomi. I ricercatori hanno raggiunto una risoluzione di circa 2 angstrom, che è due decimi di nanometro (miliardesimo di metro), o circa il doppio del diametro di un atomo di idrogeno.
Hanno raggiunto questo obiettivo prendendo oltre 500, 000 immagini sfocate, smistamento di motivi diversi in diversi "cestini, " e calcolando la media delle immagini in ciascun contenitore. I metodi di ordinamento utilizzati si basavano su algoritmi sviluppati dalla comunità di biologia strutturale per visualizzare la struttura atomica delle proteine.
"Abbiamo sfruttato la tecnologia sviluppata dagli esperti di imaging proteico e l'abbiamo estesa a quella prodotta dall'uomo, materiali morbidi, " ha detto Balsara. "Solo quando li abbiamo ordinati e abbiamo fatto la media, quella sfocatura è diventata chiara".
Davanti a queste immagini ad alta risoluzione, Balsara ha detto, la disposizione e la variazione dei diversi tipi di strutture cristalline era sconosciuta.
"Sapevamo che c'erano molti motivi, ma sono tutti diversi l'uno dall'altro in modi che non sapevamo, " ha detto. "In effetti, anche il motivo dominante nel lenzuolo peptoide è stato una sorpresa."
Balsara ha accreditato Ken Downing, uno scienziato senior della divisione di biofisica molecolare e bioimaging integrato del Berkeley Lab, scomparso ad agosto, e Xi Jiang, uno scienziato di progetto nella divisione di scienze dei materiali, per catturare le immagini di alta qualità che erano centrali per lo studio e per sviluppare gli algoritmi necessari per ottenere la risoluzione atomica nell'imaging del polimero.
I ricercatori hanno sviluppato una mappa colorata (a destra) per mostrare la distribuzione dei diversi tipi di strutture cristalline (a sinistra) che hanno trovato nel campione di peptoide polimerico. La barra della scala nell'immagine della mappa è di 50 nanometri, o 50 miliardesimi di metro. Credito:Berkeley Lab, UC Berkeley
La loro esperienza nella microscopia elettronica criogenica è stata completata dalla capacità di Ron Zuckermann di sintetizzare peptoidi modello, La conoscenza di David Prendergast delle simulazioni di dinamica molecolare necessaria per interpretare le immagini, L'esperienza di Andrew Minor nell'imaging di metalli su scala atomica, e l'esperienza di Balsara nel campo della scienza dei polimeri.
Alla Fonderia Molecolare, Zuckermann dirige lo stabilimento di Nanostrutture Biologiche, Prendergast dirige la struttura di teoria, e Minor dirige il National Center for Electron Microscopy ed è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'UC Berkeley. Gran parte dell'imaging crioelettronico è stato eseguito presso la struttura di microscopia Krios dell'Università di Berkeley. Gran parte dell'imaging crioelettronico è stato eseguito presso la struttura di microscopia Krios dell'Università di Berkeley.
Balsara ha affermato che la sua ricerca sull'utilizzo di polimeri per batterie e altri dispositivi elettrochimici potrebbe trarre vantaggio dalla ricerca, poiché vedere la posizione degli atomi di polimero potrebbe essere di grande aiuto nella progettazione dei materiali per questi dispositivi.
Le immagini su scala atomica dei polimeri utilizzati nella vita di tutti i giorni potrebbero aver bisogno di più sofisticate, meccanismi di filtraggio automatizzati che si basano sull'apprendimento automatico, Per esempio.
"Dovremmo essere in grado di determinare la struttura su scala atomica di un'ampia varietà di polimeri sintetici come polietilene commerciale e polipropilene, sfruttando i rapidi sviluppi in settori quali l'intelligenza artificiale, utilizzando questo approccio, " ha detto Balsara.
La determinazione delle strutture cristalline può fornire informazioni vitali per altre applicazioni, come lo sviluppo di farmaci, poiché diversi motivi di cristallo potrebbero produrre proprietà leganti ed effetti terapeutici molto diversi, Per esempio.
