Gli scienziati del Berkeley Lab hanno sviluppato una corda su scala nanometrica che si intreccia, come si vede in questa immagine al microscopio a forza atomica della struttura ad una risoluzione di un milionesimo di metro.
(PhysOrg.com) -- Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno convinto i polimeri a intrecciarsi in sottili corde su nanoscala che si avvicinano alla complessità strutturale dei materiali biologici.
Il loro lavoro è l'ultimo sviluppo nella spinta allo sviluppo di materiali autoassemblanti su nanoscala che imitano la complessità e la funzionalità del lavoro manuale della natura, ma che sono abbastanza robusti da resistere a condizioni difficili come il caldo e la siccità.
Sebbene sia ancora all'inizio della fase di sviluppo, la loro ricerca potrebbe portare a nuove applicazioni che combinano il meglio di entrambi i mondi. Forse saranno usati come impalcature per guidare la costruzione di cavi su scala nanometrica e altre strutture. O forse saranno usati per sviluppare veicoli per la somministrazione di farmaci che prendono di mira le malattie su scala molecolare, o per sviluppare sensori molecolari e dispositivi simili a setacci che separano le molecole l'una dall'altra.
Nello specifico, gli scienziati hanno creato le condizioni affinché polimeri sintetici chiamati polipeptoidi si assemblassero in strutture sempre più complicate:prima in fogli, poi in pile di fogli, che a loro volta si arrotolano in doppie eliche che ricordano una corda di soli 600 nanometri di diametro (un nanometro è un miliardesimo di metro).
“Questo autoassemblaggio gerarchico è il segno distintivo di materiali biologici come il collagene, ma progettare strutture sintetiche che lo facciano è stata una grande sfida, "dice Ron Zuckermann, chi è il direttore della struttura di nanostrutture biologiche nella fonderia molecolare di Berkeley Lab.
Inoltre, a differenza dei normali polimeri, gli scienziati possono controllare la composizione atomo per atomo delle strutture a corda. Possono anche progettare eliche di lunghezze e sequenze specifiche. Questa "sintonizzabilità" apre le porte allo sviluppo di strutture sintetiche che imitano la capacità dei materiali biologici di eseguire incredibili prodezze di precisione, come l'homing su molecole specifiche.
“La natura usa la lunghezza e la sequenza esatte per sviluppare strutture altamente funzionali. Un anticorpo può riconoscere una forma di una proteina rispetto a un'altra, e stiamo cercando di imitare questo, ” aggiunge Zuckermann.
Zuckermann e colleghi hanno condotto la ricerca presso The Molecular Foundry, che è uno dei cinque centri di ricerca scientifica su nanoscala DOE principali strutture nazionali per gli utenti per la ricerca interdisciplinare su nanoscala. Insieme a lui c'erano gli altri scienziati del Berkeley Lab Hannah Murnen, Adrianne Rosales, Jonathan Jaworski, e Rachel Segalman. La loro ricerca è stata pubblicata in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .
Gli scienziati hanno lavorato con catene di polimeri bioispirati chiamati peptoidi. I peptoidi sono strutture che imitano i peptidi, che la natura usa per formare le proteine, i cavalli di battaglia della biologia. Invece di usare peptidi per costruire proteine, però, gli scienziati stanno cercando di utilizzare i peptoidi per costruire strutture sintetiche che si comportano come proteine.
Il team ha iniziato con un copolimero a blocchi, che è un polimero composto da due o più monomeri differenti.
“Semplici copolimeri a blocchi si autoassemblano in strutture su nanoscala, ma volevamo vedere come la sequenza dettagliata e la funzionalità delle unità bioispirate potessero essere usate per creare strutture più complicate, "dice Rachel Segalman, uno scienziato della facoltà al Berkeley Lab e professore di ingegneria chimica e biomolecolare all'Università della California, Berkeley.
Con questo in testa, i pezzi peptoidi sono stati sintetizzati roboticamente, elaborato, e poi aggiunto a una soluzione che favorisce l'autoassemblaggio.
Il risultato è stata una varietà di forme e strutture autocostruite, con le eliche intrecciate che sono le più intriganti. La struttura gerarchica dell'elica, e la sua capacità di essere manipolato atomo per atomo, significa che potrebbe essere utilizzato come modello per la mineralizzazione di strutture complesse su scala nanometrica.
"L'idea è di assemblare strutture strutturalmente complesse su scala nanometrica con un input minimo, "dice Hannah Murnen. Aggiunge che la prossima speranza degli scienziati è di sfruttare il fatto che hanno un controllo minuzioso sulla sequenza della struttura, ed esplorare come piccoli cambiamenti chimici alterano la struttura elicoidale.
Dice Zuckermann, “Queste eliche intrecciate sono una delle prime incursioni nella produzione di copolimeri a blocchi definiti atomicamente. L'idea è di prendere qualcosa che normalmente consideriamo plastica, e consentirle di adottare strutture più complesse e capaci di funzioni più elevate, come il riconoscimento molecolare, che è ciò che le proteine fanno davvero bene.”
Gli esperimenti di diffrazione dei raggi X utilizzati per caratterizzare le strutture sono stati condotti alle linee di luce 8.3.1 e 7.3.3 dell'Advanced Light Source del Berkeley Lab, una struttura utente nazionale che genera raggi X intensi per sondare le proprietà fondamentali delle sostanze. Questo lavoro è stato sostenuto in parte dall'Office of Naval Research.
