Velcro. Aerei. Sonar. Cosa hanno in comune questi? L'invenzione di ciascuno è stata ispirata dalla natura. Il velcro imita la capacità della bardana di attaccarsi ai vestiti. Gli uccelli in volo hanno motivato l'eventuale sviluppo degli aeroplani. I pipistrelli usano l'ecolocalizzazione per navigare, fornendo l'ispirazione per il sonar.

Al Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), anche lo scienziato dei materiali Chun-Long Chen è interessato ai modelli che si trovano in natura, ma su scala molto più piccola. Chen trae ispirazione dalle strutture molecolari che si trovano in natura; principalmente dai mattoni delle proteine, chiamati peptidi. Crea peptoidi definiti in sequenza, molecole sintetiche simili a proteine ​​che sono più robuste dei mattoni naturali, per sviluppare nanomateriali biomimetici con funzioni uniche.

Questi nanomateriali di ispirazione biologica mostrano risultati promettenti in un'ampia varietà di applicazioni, dalla somministrazione di farmaci al fotovoltaico. In qualità di leader emergente nell'autoassemblaggio molecolare, Chen, insieme a molti dei suoi ex apprendisti, ha recentemente scritto un articolo di recensione per un prossimo numero speciale di Recensioni chimiche . Questo articolo copre lo stato dell'arte nei nanomateriali gerarchici assemblati da polimeri sintetici definiti in sequenza. Attraverso questa recensione, gli autori sperano di incoraggiare altri in campi correlati a esplorare la progettazione di nanomateriali biomimetici per applicazioni energetiche, biomediche e ambientali avanzate.

"Sono molto ispirato dai risultati di Chun-Long in questo campo e credo davvero che sia solo all'inizio della scoperta di tutti i tipi di nuove applicazioni per le nanostrutture peptoidi biomimetiche", ha affermato Ronald Zuckermann, ex mentore di Chen e inventore dei peptoidi, di Lawrence Berkeley Laboratorio Nazionale (LBNL). "La sua ricerca sta aprendo un'era completamente nuova della nanoscienza biomimetica, in cui possiamo manipolare nanomateriali sintetici con precisione atomica per risolvere problemi di riconoscimento molecolare, catalisi e terapia".

Grandi applicazioni per materiali minuscoli

La ricerca di Chen si concentra sullo sviluppo di peptoidi definiti in sequenza per imitare le proteine ​​naturali sia per la cristallizzazione biomimetica che per l'assemblaggio di materiali biomimetici. Le strutture formate da queste molecole autoassemblanti mostrano proprietà maggiori di quelle delle singole molecole. Le proteine, ad esempio, contengono diversi strati di strutture. Gli amminoacidi si uniscono per formare molecole peptidiche che compongono la proteina. I peptidi si piegano per formare la struttura 3D che conferisce alla proteina la sua funzione. E al livello successivo, più proteine ​​possono unirsi per formare complessi per funzioni uniche al di là delle capacità delle singole proteine.

"La creazione di polimeri sintetici che si autoassemblano in nanomateriali gerarchici come le macromolecole naturali è molto eccitante, ma il campo è ancora relativamente nuovo", ha affermato Chen. "Attraverso questa recensione, abbiamo voluto evidenziare alcuni dei progressi compiuti verso l'autoassemblaggio molecolare di questi polimeri sintetici definiti in sequenza. Volevamo anche discutere le potenziali applicazioni dei loro materiali gerarchici autoassemblati nelle scienze biomediche e nell'energia rinnovabile. "

Le possibilità sono infinite per queste diverse funzioni. Finora, questi materiali funzionali di ispirazione biologica hanno mostrato risultati promettenti nella somministrazione di farmaci, nel rilevamento molecolare, nella terapia fotodinamica, nella decontaminazione dell'acqua e altro ancora.

"Le proteine ​​contengono molte informazioni. Le loro sequenze di amminoacidi determinano la loro struttura e funzione nei nostri corpi. I peptoidi che sintetizziamo prendono questa idea di usare sequenze per programmare queste molecole per diverse funzioni", ha detto Chen.

"In linea di principio, possiamo utilizzare i peptoidi come piattaforma di elementi costitutivi programmabili e assemblarli come i LEGO per costruire materiali gerarchici ad alto contenuto informativo con elevata programmabilità e prevedibilità per soddisfare le nostre esigenze. La sfida è ottenere la comprensione di queste previsioni attraverso un'attenta studio dei nostri successi e fallimenti", ha affermato Chen.

Creare un nuovo percorso per i nanomateriali gerarchici

I nanomateriali creati da Chen sono notoriamente imprevedibili. È difficile sintetizzare materiali in grado di svolgere funzioni specifiche. Chen, tuttavia, non è estraneo al superamento di tali sfide. Come studente laureato alla Sun Yat-Sen University in Cina, Chen iniziò a studiare la progettazione e l'assemblaggio di molecole in strutture supramolecolari. Questo ha aperto la strada al suo lavoro come ricercatore post-dottorato alla Mississippi State University, all'Università di Pittsburgh e alla LBNL, dove ha lavorato con Zuckermann.

Chen è stato infine reclutato in PNNL, dove guida la progettazione di peptoidi definiti in sequenza in grado di autoassemblarsi.

"Ci sono stati molti tentativi ed errori coinvolti non solo nella creazione delle molecole stesse, ma anche nel garantire che potessero formare le strutture più grandi che volevamo", ha affermato Chen.

Inizialmente lui e il suo team hanno deciso di creare molecole per applicazioni biomediche come la somministrazione di farmaci e l'imaging biologico. Ben presto, hanno ampliato la loro ricerca in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui la decontaminazione dell'acqua e la ricerca sulle batterie.

Il tutoraggio è importante

"È un grande onore per il nostro gruppo far parte di questo numero speciale 'Auto-assemblaggio molecolare' in Recensioni chimiche e per me essere invitato a scrivere un'ampia recensione nell'area dell'autoassemblaggio molecolare di polimeri sintetici definiti in sequenza", ha affermato Chen. "Questo è un grande riconoscimento di molti anni di duro lavoro in questo campo, compresi i nostri contributi da PNNL."

Dopo aver ricevuto questo invito, Chen ha immediatamente riunito una squadra composta da due dei suoi ex post-dottorati, Zhiliang Li e Bin Cai, entrambi ora professori all'Università di Shandong, e uno studente laureato in visita:Wenchao Yang, uno studente laureato dell'Università di Tianjin. I tre hanno collaborato con Chen come coautori per delineare l'attuale stato dell'arte nell'autoassemblaggio molecolare di peptoidi e altri polimeri definiti in sequenza in nanomateriali gerarchici e le loro potenziali applicazioni nell'energia e nella biomedicina.

"Mentre lavoravo con Chun-Long, ho acquisito preziose conoscenze nel campo della biochimica, come la progettazione e la sintesi di biomolecole, la sintesi organica e l'autoassemblaggio molecolare", ha affermato Bin Cai, un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo di Chen al PNNL. "Inoltre, la sua intuizione scientifica e il suo atteggiamento ottimista hanno notevolmente influenzato e plasmato la mia direzione professionale. Nello specifico, quello che ho imparato da lui è come concentrarmi:come concentrarmi su un'importante questione scientifica e fare diversi piani per raggiungerla". + Esplora ulteriormente

I ricercatori utilizzano un nuovo approccio per assemblare i peptoidi su una superficie solida