I polimeri sintetici sono ovunque nella nostra società:dagli indumenti in nylon e poliestere alle pentole in teflon e alla colla epossidica. A livello molecolare, le molecole di questi polimeri sono costituite da lunghe catene di elementi costitutivi di monomeri, la cui complessità aumenta la funzionalità in molti di questi materiali.
In particolare, i copolimeri, costituiti da diversi tipi di monomeri nella stessa catena, consentono la messa a punto delle proprietà del materiale, ha affermato Peng Chen, Peter J.W. Debye Professore di Chimica presso il College of Arts and Sciences (A&S). La sequenza dei monomeri svolge un ruolo fondamentale nelle proprietà di un materiale, ma fino ad ora gli scienziati non disponevano di un metodo per sequenziare i copolimeri sintetici.
Chen e colleghi hanno sviluppato CREATS (Coupled REaction Approach Toward Super-resolution imaging), che consente loro di visualizzare le reazioni di catalisi di polimerizzazione alla risoluzione di un singolo monomero e, attraverso la segnalazione fluorescente, di differenziare i monomeri l'uno dall'altro. Entrambi sono passi importanti nella scoperta della composizione molecolare di un polimero sintetico.
Descrivono la tecnica e le prime scoperte che hanno fatto con essa in "Optical Sequencing of Single Synthetic Polymers", pubblicato su Nature Chemistry .
Gli autori co-principali sono Rong Ye, Xiangcheng Sun e Xianwen Mao, tutti ex ricercatori post-dottorato nel gruppo Chen. I coautori sono gli ex ricercatori post-dottorato del gruppo Chen Susil Baral e Chunming Liu, l'attuale ricercatore post-dottorato Felix Alfonso e Geoffrey Coates, professore di chimica e biologia chimica (A&S) della Tisch University.
"I polimeri sintetici sono costituiti da unità monomeriche collegate insieme come un filo di perle", ha detto Chen. Nei polimeri più semplici, i monomeri sono identici, ma si verificano proprietà più complesse quando i polimeri contengono monomeri di tipo diverso, chiamati copolimeri. La disposizione precisa dei monomeri in un copolimero gioca un ruolo importante nelle sue proprietà, come rigidità o flessibilità.
Anche la sequenza gioca un ruolo nelle proprietà dei polimeri naturali, ha detto Chen. Una proteina, ad esempio, è composta da 20 monomeri di amminoacidi disposti in una sequenza molto specifica.
"In un polimero naturale, la natura ha il controllo", ha detto Chen. "Nei polimeri sintetici, sono gli esseri umani a prendere le decisioni, e i chimici generalmente non hanno questo controllo preciso."
Il sequenziamento dei copolimeri è così difficile in gran parte a causa dell’eterogeneità dei polimeri sintetici, ha detto Chen. Le singole catene differiscono per lunghezza, composizione e sequenza, il che richiede metodi di sequenziamento di singoli polimeri in grado di risolvere e identificare i singoli monomeri.
Alcuni metodi moderni consentono agli scienziati di controllare la disposizione dei monomeri in una catena, ha detto Chen, ma solo per polimeri molto corti, lunghi da 10 a 20 monomeri.
Utilizzando CREATS, i ricercatori possono determinare la sequenza di un polimero man mano che viene prodotto, un monomero alla volta, mediante l'imaging e l'identificazione di ogni singolo monomero man mano che viene aggiunto al polimero. Per rendere visibili i monomeri, CREATS accoppia la reazione di polimerizzazione con un'altra reazione che produce segnali fluorescenti.
"Ogni monomero che entra emette uno sbuffo di luce", ha detto Chen. "La luce è indotta da un laser e lo sbuffo di luce ha un colore. Nel nostro caso, è verde o giallo. Vedendo se è giallo o verde, vediamo quale monomero entra."
Il laboratorio è già attrezzato per misurare le proprietà dei polimeri sintetici. Ora che sono in grado di determinare la sequenza di un singolo polimero, il passo successivo è combinare i due esperimenti per correlare struttura e funzione, fornendo in definitiva i principi guida per la progettazione del polimero per ottenere determinate proprietà.
"Se sai come la sequenza controlla la proprietà, puoi davvero pensare di progettare qualunque sequenza desideri ottenere una determinata proprietà", ha detto Chen. "Questa conoscenza presumibilmente può aiutare le persone a personalizzare i propri materiali per l'applicazione desiderata."
Ulteriori informazioni: Rong Ye et al, Sequenziamento ottico di singoli polimeri sintetici, Chimica naturale (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01363-2
Informazioni sul giornale: Chimica della Natura
Fornito dalla Cornell University
