Grazie a un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e dell'Università del Massachusetts Amherst, gli scienziati sono in grado di leggere modelli su lunghe catene di molecole per comprendere e prevedere il comportamento di filamenti disordinati di proteine ​​e polimeri. I risultati potrebbero, tra l'altro, spianare la strada allo sviluppo di nuovi materiali da polimeri sintetici.

Il laboratorio di Charles Sing, assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare all'Illinois, fornito la teoria alla base della scoperta, che è stato poi verificato attraverso esperimenti condotti nel laboratorio di Sarah Perry, assistente professore di ingegneria chimica presso UMass Amherst, e alunna dell'Illinois. I collaboratori hanno dettagliato le loro scoperte in un documento intitolato "Designing Electrostatic Interactions via Polyelectrolyte Monomer Sequence" pubblicato su ACS (American Chemical Society) Central Science .

I colleghi hanno cercato di capire la fisica dietro la sequenza precisa di monomeri carichi lungo la catena e come influisce sulla capacità del polimero di creare materiali liquidi autoassemblanti chiamati coacervati complessi.

"La cosa che penso sia eccitante di questo lavoro è che stiamo prendendo ispirazione da un sistema biologico, " Ha detto Sing. "L'immagine tipica di una proteina mostra che si piega in una struttura molto precisa. Questo sistema, però, si basa su proteine ​​intrinsecamente disordinate."

Questo documento si basa sui risultati precedenti di Perry e Sing del 2017, che in definitiva mira ad aiutare a far progredire la progettazione intelligente dei materiali.

"Il nostro precedente articolo ha mostrato che queste sequenze sono importanti, questo mostra perché sono importanti, " Sing ha spiegato. "Il primo ha mostrato che sequenze diverse danno proprietà diverse nella coacervazione complessa. Quello che siamo in grado di fare ora è usare una teoria per prevedere effettivamente perché si comportano in questo modo".

A differenza delle proteine ​​strutturate, che interagiscono con partner di legame molto specifici, la maggior parte dei polimeri sintetici no.

"Sono più sfocati in quanto reagiscono con un'ampia gamma di molecole nell'ambiente circostante, "Canta ha spiegato.

Hanno scoperto che nonostante questo fatto, la precisa sequenza dei monomeri lungo una proteina (gli amminoacidi) fa davvero la differenza.

"Era ovvio per i biofisici che la sequenza fa una grande differenza se stanno formando una struttura molto precisa, "Sing ha detto. "A quanto pare, fa anche una grande differenza se formano strutture imprecise".

Anche le proteine ​​non strutturate hanno una precisione associata. monomeri, gli elementi costitutivi di molecole complesse, sono gli anelli della catena. Quello che il gruppo di Sing ha teorizzato è che conoscendo la sequenza di polimeri e monomeri e la carica (positiva, negativo o neutro) ad essi associati, si possono prevedere le proprietà fisiche delle molecole complesse.

"Mentre i ricercatori sapevano che se mettono cariche diverse in posti diversi in una di queste proteine ​​intrinsecamente disordinate, le effettive proprietà termodinamiche cambiano, " ha detto Canta.

"Quello che siamo in grado di dimostrare è che puoi effettivamente cambiare la forza di questo modificandolo sulla sequenza in modo molto specifico. Ci sono casi qui che cambiando la sequenza di un solo monomero (un singolo anello in quella catena), può cambiare drasticamente il modo in cui queste cose sono in grado di formarsi. Abbiamo anche dimostrato di poter prevedere il risultato".

Sing aggiunge che queste informazioni sono preziose per i biofisici, bioingegneri e scienziati dei materiali allo stesso modo. Questa scoperta aiuterà gli ingegneri a comprendere un'ampia classe di proteine ​​e a mettere a punto le proteine ​​per modificarne il comportamento. Dà loro un nuovo modo di inserire informazioni nelle molecole per costruire nuovi materiali e fare un'ipotesi migliore su come si comportano queste proprietà.

Gli scienziati dei materiali possono, Per esempio, utilizzare queste informazioni per avere un livello di controllo su un materiale per farlo assemblare in strutture molto complicate o creare membrane che filtrano con precisione i contaminanti nell'acqua. La loro speranza è che gli scienziati, ispirati ai biopolimeri, può prendere questa capacità di prevedere i comportamenti fisici semplicemente leggendo la sequenza per progettare in definitiva nuovi materiali intelligenti in questo modo.

"Questo in un certo senso sta avvicinando la biologia e i polimeri sintetici, " Ha detto Sing. "Per esempio, alla fine del giorno, non c'è una grande differenza nella chimica tra proteine ​​e nylon. La biologia sta usando queste informazioni per istruire come avviene la vita. Se riesci a inserire l'identità di questi vari collegamenti in modo specifico, si tratta di informazioni preziose per una serie di altre applicazioni."