Gli scienziati aspirano a costruire nanostrutture che imitino la complessità e la funzione delle proteine ​​naturali, ma sono realizzati con materiali resistenti e sintetici. Questi widget microscopici potrebbero essere personalizzati in rilevatori chimici incredibilmente sensibili o catalizzatori di lunga durata, per citare alcune possibili applicazioni.

Ma come con qualsiasi mestiere che richiede estrema precisione, i ricercatori devono prima imparare a rifinire i materiali che utilizzeranno per costruire queste strutture. Una scoperta degli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia. e riportato il 7 ottobre nella pubblicazione online anticipata della rivista Natura , è un grande passo in questa direzione.

Gli scienziati hanno scoperto una regola di progettazione che consente l'esistenza di un materiale creato di recente. Il materiale è un nanofoglio peptoide. È una struttura piatta spessa solo due molecole, ed è composto da peptoidi, che sono polimeri sintetici strettamente correlati ai peptidi che formano proteine.

La regola di progettazione controlla il modo in cui i polimeri si uniscono per formare le ossature che percorrono la lunghezza dei nanofogli. Sorprendentemente, queste molecole si legano tra loro in uno schema controrotante mai visto in natura. Questo modello consente alle spine dorsali di rimanere lineari e non attorcigliate, un tratto che rende i nanofogli peptoidi più grandi e piatti di qualsiasi struttura biologica.

Gli scienziati del Berkeley Lab affermano che questa regola di progettazione mai vista prima potrebbe essere utilizzata per mettere insieme complesse strutture di nanofogli e altri assemblaggi peptoidi come nanotubi e solidi cristallini.

Cosa c'è di più, l'hanno scoperto combinando simulazioni al computer con la diffusione dei raggi X e metodi di imaging per determinare, per la prima volta, la struttura a risoluzione atomica dei nanosheet peptoidi.

"Questa ricerca suggerisce nuovi modi per progettare strutture biomimetiche, "dice Steve Whitelam, un autore corrispondente del documento Nature. "Possiamo iniziare a pensare di utilizzare principi di progettazione diversi da quelli offerti dalla natura".

Whitelam è uno scienziato del personale nella struttura di teoria presso la fonderia molecolare, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE situata presso il Berkeley Lab. Ha guidato la ricerca con l'autore corrispondente Ranjan Mannige, un ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry; e Ron Zuckermann, che dirige lo Stabilimento di Nanostrutture Biologiche della Fonderia Molecolare. Hanno utilizzato le risorse di calcolo ad alte prestazioni del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE situata presso il Berkeley Lab.

I nanofogli peptoidi sono stati scoperti dal gruppo di Zuckermann cinque anni fa. Hanno scoperto che nelle giuste condizioni, i peptoidi si autoassemblano in gruppi bidimensionali che possono crescere di centinaia di micron. Questo "documento molecolare" è diventato una prospettiva interessante come piattaforma che imita le proteine ​​per la progettazione molecolare.

Per saperne di più su questo potenziale materiale da costruzione, gli scienziati hanno deciso di imparare la sua struttura di risoluzione atomica. Ciò ha comportato un feedback tra esperimento e teoria. Dati di microscopia e diffusione raccolti presso la Molecular Foundry e la Advanced Light Source, anche una struttura per gli utenti del DOE Office of Science situata al Berkeley Lab, sono stati confrontati con le simulazioni di dinamica molecolare condotte presso il NERSC.

La ricerca ha rivelato diverse cose nuove sui nanofogli peptoidi. La loro composizione molecolare varia in tutta la loro struttura, possono essere formati solo da peptoidi di una certa lunghezza minima, contengono sacche d'acqua, e sono potenzialmente porosi quando si tratta di acqua e ioni.

Queste intuizioni sono intriganti di per sé, ma quando gli scienziati hanno esaminato la struttura della spina dorsale dei nanofogli, sono rimasti sorpresi nel vedere una regola di progettazione non trovata nel campo della biologia strutturale delle proteine.

Ecco la differenza:in natura, le proteine ​​sono composte da fogli beta e da alfa eliche. Questi elementi costitutivi fondamentali sono essi stessi composti da spine dorsali, e i polimeri che compongono queste dorsali sono tutti uniti tra loro usando la stessa regola. Ogni polimero adiacente ruota in modo incrementale nella stessa direzione, in modo che una torsione corre lungo la spina dorsale.

Questa regola non si applica ai nanofogli peptoidi. Lungo le loro spine dorsali, unità monomeriche adiacenti ruotano in direzioni opposte. Queste controrotazioni si annullano a vicenda, risultando in una spina dorsale lineare e non attorcigliata. Ciò consente alle dorsali di essere piastrellate in due dimensioni ed estese in fogli di grandi dimensioni più piatti di qualsiasi cosa la natura possa produrre.

"È stata una grande sorpresa scoprire che la regola di progettazione che rende possibili i nanofogli peptoidi è sfuggita al campo della biologia fino ad ora, " dice Mannige. "Questa regola potrebbe forse essere usata per costruire molte altre strutture non realizzate".

Aggiunge Zuckermann, "Ci aspettiamo anche che ci siano altri principi di progettazione che aspettano di essere scoperti, che potrebbe portare a nanostrutture ancora più biomimetiche".