Molecole simili a proteine ​​chiamate "polipeptoidi" (o "peptoidi, " in breve) hanno grandi promesse come elementi costitutivi di precisione per la creazione di una varietà di nanomateriali di design, come nanofogli flessibili, ultrasottili, materiali 2-D su scala atomica. Potrebbero far avanzare una serie di applicazioni, come quelle sintetiche, anticorpi specifici per la malattia e membrane o tessuti autoriparanti, a basso costo.

Per capire come realizzare queste applicazioni, però, gli scienziati hanno bisogno di un modo per ingrandire la struttura atomica di un peptoide. Nel campo della scienza dei materiali, i ricercatori usano tipicamente i microscopi elettronici per raggiungere la risoluzione atomica, ma i materiali morbidi come i peptoidi si disintegrerebbero sotto il forte bagliore di un fascio di elettroni.

Ora, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno adattato una tecnica che arruola il potere degli elettroni per visualizzare la struttura atomica di un materiale morbido mantenendola intatta.

Il loro studio, pubblicato sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , dimostra per la prima volta come cryo-EM (microscopia elettronica criogenica), una tecnica vincitrice del premio Nobel originariamente progettata per l'immagine di proteine ​​in soluzione, può essere utilizzato per visualizzare i cambiamenti atomici in un materiale morbido sintetico. I loro risultati hanno implicazioni per la sintesi di materiali 2-D per un'ampia varietà di applicazioni.

"Tutti i materiali che tocchiamo funzionano a causa del modo in cui gli atomi sono disposti nel materiale. Ma non abbiamo questa conoscenza per i peptoidi perché, a differenza delle proteine, la struttura atomica di molti materiali sintetici morbidi è disordinata e difficile da prevedere, " disse Nitash Balsara, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, e professore di ingegneria chimica alla UC Berkeley, che ha co-diretto lo studio. "E se non sai dove sono gli atomi, stai volando alla cieca. Il nostro uso della crio-EM per l'imaging dei peptoidi stabilirà un percorso chiaro per la progettazione e la sintesi di materiali morbidi su scala atomica".

Uno sguardo attento ai materiali morbidi

Negli ultimi 13 anni, Balsara ha condotto uno sforzo per l'immagine di materiali morbidi su scala atomica attraverso il programma di microscopia elettronica della materia morbida del Berkeley Lab. Per lo studio in corso, ha unito le forze con Ronald Zuckermann, uno scienziato anziano della Molecular Foundry del Berkeley Lab che ha scoperto per la prima volta i peptoidi quasi 30 anni fa nella sua ricerca di nuovi polimeri, materiali fatti di lunghi, catene ripetute di piccole unità molecolari chiamate "monomeri" per terapie farmacologiche mirate.

"Questo studio nasce da molti anni di ricerca qui al Berkeley Lab. Creare un materiale e vedere gli atomi:è il sogno della mia carriera, " ha detto Zuckermann, che ha co-condotto lo studio con Balsara.

A differenza della maggior parte dei polimeri sintetici, i peptoidi possono avere una sequenza precisa di unità monomeriche, un tratto comune nei polimeri biologici, come proteine ​​e DNA.

E come le proteine ​​naturali, i peptoidi possono crescere o autoassemblarsi in forme distinte per funzioni specifiche, come eliche, fibre, nanotubi, o nanofogli sottili e piatti.

Ma a differenza delle proteine, la struttura molecolare dei peptoidi è tipicamente amorfa e imprevedibile, come un mucchio di noodles bagnati. E districare una struttura così imprevedibile è stato a lungo un ostacolo per gli scienziati dei materiali.

Bloccare i peptoidi con cryo-EM

Quindi i ricercatori si sono rivolti alla crio-EM, che congela i peptoidi a una temperatura di circa 80 kelvin (o meno 316 gradi Fahrenheit) in microsecondi. La temperatura ultrafredda del crio-EM si blocca nella struttura del foglio e impedisce anche agli elettroni di distruggere il campione.

Per proteggere i materiali morbidi, la crio-EM utilizza meno elettroni rispetto alla microscopia elettronica convenzionale, ottenendo immagini spettrali in bianco e nero. Per documentare meglio cosa sta succedendo a livello atomico, centinaia di queste immagini sono state scattate. Sofisticati strumenti matematici combinano queste immagini per creare immagini su scala atomica più dettagliate.

Per lo studio, i ricercatori hanno fabbricato nanofogli in soluzione da brevi polimeri peptoidi costituiti da una catena di sei monomeri idrofobici noti come "aromatici, " collegato a quattro monomeri polieteri idrofili. I monomeri idrofili o "amante dell'acqua" sono attratti dall'acqua nella soluzione, mentre i monomeri idrofobici o che odiano l'acqua evitano l'acqua, orientando le molecole a formare nanofogli cristallini dello spessore di una sola molecola (circa 3 nanometri, o 3 miliardesimi di metro).

L'autore principale Sunting Xuan, un ricercatore post-dottorato nella Divisione di Scienze dei Materiali, ha sintetizzato i nanofogli peptoidi e ha utilizzato tecniche di diffusione dei raggi X presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab per caratterizzare la loro struttura molecolare. L'ALS produce luce in una varietà di lunghezze d'onda per consentire studi sulla struttura e la chimica su nanoscala dei campioni, tra le altre proprietà.

Xi Jiang, uno scienziato di progetto nella divisione di scienze dei materiali, catturato le immagini di alta qualità e sviluppato gli algoritmi necessari per ottenere la risoluzione atomica nell'imaging peptoide.

David Prendergast, scienziato senior del personale e direttore ad interim della Fonderia Molecolare, sostituzioni atomiche modellate nei peptoidi, e Nan Li, un ricercatore post-dottorato presso la Fonderia Molecolare, hanno eseguito simulazioni di dinamica molecolare per stabilire un modello in scala atomica del nanofoglio.

Al centro della scoperta del team c'era la loro capacità di scorrere rapidamente tra la sintesi dei materiali e l'imaging atomico. La precisione della sintesi peptoide, insieme alla capacità dei ricercatori di visualizzare direttamente il posizionamento degli atomi utilizzando la crio-EM, ha permesso loro di ingegnerizzare il peptoide a livello atomico. Con loro sorpresa, quando hanno creato diverse nuove varianti della sequenza del monomero peptoide, la struttura atomica del nanofoglio è cambiata in modo molto ordinato.

Per esempio, quando un ulteriore atomo di bromo è stato aggiunto a ciascun anello aromatico, la forma di ogni molecola peptoide è rimasta invariata, ma lo spazio tra le file è aumentato appena quanto basta per accogliere gli atomi di bromo aggiuntivi.

Per di più, quando sono state esaminate quattro varianti aggiuntive della struttura del nanofoglio peptoide, i ricercatori hanno notato una notevole uniformità nella loro struttura atomica, e che i nanofogli condividevano la stessa forma delle molecole peptoidi. Ciò ha permesso loro di progettare in modo prevedibile la struttura del nanofoglio, ha detto Zuckermann.

"Avere così tanto controllo su scala atomica sui materiali morbidi era completamente inaspettato, " disse Balsara, perché si presumeva che solo le proteine ​​potessero formare forme definite quando si disponeva di una sequenza specifica di monomeri, nel loro caso, aminoacidi.

Un approccio di squadra ai nuovi materiali

Per quasi quattro decenni, Il Berkeley Lab ha spinto i confini della microscopia elettronica in campi della scienza un tempo considerati impossibili da esplorare con un fascio di elettroni. Anche il lavoro pionieristico degli scienziati del Berkeley Lab ha svolto un ruolo chiave nel Premio Nobel 2017 per la chimica, che ha onorato lo sviluppo della crio-EM.

"La maggior parte delle persone direbbe che non è possibile sviluppare una tecnica in grado di posizionare e vedere singoli atomi in un materiale morbido, " ha detto Balsara. "L'unico modo per risolvere problemi difficili come questo è collaborare con esperti di diverse discipline scientifiche. Al Berkeley Lab, lavoriamo come una squadra".

Zuckermann ha aggiunto che l'attuale studio dimostra che la tecnica crio-EM potrebbe essere applicata a un'ampia gamma di polimeri comuni e altri materiali morbidi industriali, e potrebbe portare a una nuova classe di nanomateriali morbidi che si ripiegano in strutture simili a proteine ​​con funzioni simili a proteine.

"Questo lavoro pone le basi per gli scienziati dei materiali per affrontare la sfida di rendere le proteine ​​artificiali una realtà, " Egli ha detto, aggiungendo che il loro studio consente anche al team di lavorare sulla risoluzione di una varietà di problemi entusiasmanti, e di "sensibilizzazione delle persone che essi, pure, possono iniziare a guardare la struttura atomica dei loro materiali morbidi usando queste tecniche crio-EM".