Prendendo ispirazione dal sistema immunitario umano, I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno creato un nuovo materiale che può essere programmato per identificare un'infinita varietà di molecole. Il nuovo materiale assomiglia a minuscoli fogli di velcro, ciascuno di appena un centinaio di nanometri di diametro. Ma invece di mettere in sicurezza le tue scarpe da ginnastica, questo velcro molecolare imita il modo in cui gli anticorpi naturali riconoscono virus e tossine, e potrebbe portare a una nuova classe di biosensori.

"Gli anticorpi hanno un design architettonico davvero efficace:un'impalcatura strutturale che rimane praticamente la stessa, che sia per il veleno di serpente o per il comune raffreddore, e circuiti funzionali infinitamente variabili che legano gli invasori stranieri, "dice Ron Zuckermann, uno scienziato senior presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab. "L'abbiamo imitato qui, con un'impalcatura bidimensionale di nanofogli ricoperta di piccoli anelli funzionali come il velcro."

Zuckermann, Direttore della Struttura di Nanostrutture Biologiche della Fonderia Molecolare, è l'autore corrispondente su un articolo che riporta questi risultati in ACS Nano , intitolato "Nanosheets peptoidi anticorpo-mimetici per il riconoscimento molecolare". Coautore del documento sono Gloria K. Olivier, Andrea Cho, Babak Sanii, Michael D. Connolly, e Helen Tran.

Gli scaffold di nanofoglio di Zuckermann sono autoassemblati da peptoidi:sintetici, polimeri bio-ispirati in grado di ripiegarsi in architetture simili a proteine. Come perline su un filo, ogni molecola peptoide è una lunga catena di piccole unità molecolari disposte secondo uno schema specifico. In lavori precedenti, Zuckermann ha mostrato come alcuni semplici peptoidi possono piegarsi in nanofogli spessi pochi nanometri ma larghi fino a cento micrometri, dimensioni equivalenti a un foglio di plastica dello spessore di un millimetro delle dimensioni di un campo da calcio.

"Il motivo per cui si formano i nanofogli è perché c'è un codice programmato direttamente nei peptoidi, " dice Zuckermann. "In questo caso è certamente un programma piuttosto rudimentale, ma mostra come se inserisci solo un po' di informazioni sulla sequenza:Boom! Puoi fare un nanofoglio."

Per creare loop funzionali sui nanosheet, i ricercatori inseriscono brevi segmenti molecolari in polimeri peptoidi che formano nanosheet. Mentre i peptoidi si intrecciano in fogli, i segmenti inseriti sono esclusi dalla piega, spinto invece in anelli sulla superficie del nanofoglio. I loop funzionali possono essere programmati per legare selettivamente determinati enzimi o materiali inorganici, il che rende il nuovo materiale promettente per il rilevamento chimico e la catalisi.

"Il vantaggio qui è che siamo in grado di produrre questi materiali con una resa molto elevata, "dice Gloria Olivier, un ricercatore post-dottorato e autore principale del documento. "Stiamo prendendo in prestito questa idea di mettere insieme una particolare sequenza di monomeri, che la Natura usa per costruire strutture proteiche 3D, e applicandolo al mondo dei materiali non naturali, per creare un materiale davvero utile che possa assemblarsi da solo."

I ricercatori hanno dimostrato la flessibilità del loro metodo creando nanofogli con anelli di varia composizione, lunghezza, e densità; hanno realizzato nanofogli in grado di prelevare enzimi specifici da una soluzione, provocando cambiamenti chimici che possono essere rilevati con tecniche standard, e altri che si legano selettivamente al metallo dorato, seminando la crescita di nanoparticelle e film d'oro.

"I peptoidi possono resistere a condizioni molto più dure dei peptidi, la loro controparte in natura, " dice Olivier. "Quindi, se volessi costruire un dispositivo diagnostico che possa essere portato al di fuori di un laboratorio, o un dispositivo in grado di eseguire lo screening di biomarcatori in presenza di una miscela di proteine ​​come le proteasi, i peptoidi sono una scelta eccellente."

Guardando oltre le entusiasmanti applicazioni, Zuckermann sottolinea che questo lavoro rappresenta un passo importante verso l'estensione delle regole del ripiegamento delle proteine ​​al mondo dei materiali sintetici.

Dice Zuckermann, "Questo è un po' l'argomento del mio intero programma di ricerca qui:imparare dalla ricchezza di informazioni sulla sequenza chimica trovate in biologia per creare nuovi tipi di materiali sintetici avanzati. Stiamo davvero iniziando a grattare la superficie".