La natura è piena di forme molecolari straordinariamente precise che si incastrano come una mano nel guanto. Le proteine, ad esempio, possono assemblarsi in un'ampia varietà di forme ben definite che garantiscono loro la loro funzione.
"A seconda della loro forma, le proteine possono adattarsi insieme ad altre proteine per svolgere funzioni o funzionare male raggruppandosi insieme, come osservato nel morbo di Alzheimer", ha detto lo scienziato dei materiali Chun-Long Chen.
"Capire come si assemblano e le origini della loro forma particolare potrebbe essere significativo per varie applicazioni come la somministrazione di farmaci, la diagnostica e le terapie."
Negli studi pubblicati su Nature Communications e Angewandte Chemie , Chen e i suoi colleghi del PNNL hanno studiato come controllare queste forme creando materiali a base di peptoidi ispirati alla natura.
Usa queste sofisticate molecole simili a proteine per progettare sostanze per applicazioni energetiche, come la raccolta della luce o la scomposizione della lignina legnosa. Nell'ultimo decennio, Chen e il suo team presso il Pacific Northwest National Laboratory hanno sviluppato una piattaforma per la creazione di materiali funzionali basati su peptoidi e la caratterizzazione del loro comportamento.
"I peptoidi hanno il potenziale per essere utilizzati in una varietà di applicazioni", ha affermato Chen. "Sulla base delle loro forme assemblate e di altre proprietà, è possibile progettare peptoidi come agenti di rilascio di farmaci o enzimi artificiali."
Come una mano in un guanto
Chen e i suoi colleghi hanno collaborato con l’Università di Washington, l’Università di Chicago e il Georgia Institute of Technology per progettare gruppi di peptoidi con forme precise. Il loro esperimento prevede di dirigere la "manualità" dell'elica. Le eliche possono essere "sinistre" o "destre" a seconda della direzione in cui si muovono a spirale. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Communications .
"La manualità è estremamente importante quando si progettano molecole specializzate, come i farmaci", ha affermato Chen. "Comprendere e controllare questa manualità può fornire informazioni su processi come l'assemblaggio delle proteine e potrebbe essere prezioso per trovare cure per le malattie legate al ripiegamento delle proteine, come il morbo di Alzheimer."
Per questo esperimento, Chen e il suo team hanno scelto di perseguire strutture elicoidali simili a cavatappi a causa della loro importanza biologica. In effetti, la maggior parte delle proteine contiene queste strutture elicoidali di base.
I precedenti metodi di sintesi dei peptoidi produrrebbero un mix di eliche destrorse e sinistrorse. In natura, le proteine devono avere una conformazione specifica per svolgere le loro funzioni, la maggior parte sono mancine.
"Altri gruppi prima di noi sono stati in grado di sintetizzare nanoeliche peptoidi, ma controllare con precisione la loro forma e la loro manualità è rimasta una sfida", ha detto Chen. "Essere in grado di controllarne le forme non solo aprirebbe la porta alla progettazione di materiali futuri, ma fornirebbe anche informazioni dettagliate sui processi biologici che coinvolgono queste strutture."
Utilizzando una combinazione di tecniche sperimentali e computazionali, Chen e il suo team hanno scoperto un modo per controllare la manualità di un'elica peptoide. Simili alle proteine, i peptoidi sono creati da elementi costitutivi simili agli aminoacidi.
Ogni elemento costitutivo ha gli stessi atomi "spina dorsale" che formano i legami peptoidi, tuttavia ogni singolo anello della catena può variare enormemente. Il gruppo di Chen ha scoperto di poter controllare la forma dell'elica manipolando la sequenza delle catene laterali peptoidi.
Per indagare ulteriormente su come possono assemblarsi i peptoidi, Chen ha collaborato con colleghi dell’Università di Washington, dell’Università di Harvard, dell’Università di Binghamton e della Zhejiang Sci-Tech University. Ampliando i precedenti studi bidimensionali sulle strutture peptoidi, il team è riuscito a sviluppare con successo una nanostruttura elicoidale tridimensionale.
Hanno osservato che l'inclusione di speciali "gruppi funzionali" di atomi nelle loro sequenze peptoidi ha permesso loro di creare strutture con funzioni speciali, simili agli assemblaggi proteici. Il loro lavoro è stato pubblicato su Angewandte Chemie .
"Sebbene si tratti di uno studio fondamentale, questa ricerca ci fornisce ulteriori informazioni su come possiamo creare materiali migliori e più precisi, come quelli che si trovano in natura, per applicazioni specifiche", ha affermato Chen. "I peptoidi hanno il potenziale per essere utilizzati in una varietà di applicazioni. In base alla loro struttura e ad altre proprietà, è possibile progettare peptoidi come agenti di somministrazione di farmaci o sistemi di raccolta della luce artificiale."
In futuro, Chen e il suo team sperano di creare un’ampia gamma di nanomateriali a base di peptoidi per applicazioni. Il controllo della forma peptoide, come delineato nei loro documenti di ricerca, è solo il primo passo.
Ulteriori informazioni: Renyu Zheng et al, Assemblaggio di peptoidi anfifilici corti in nanoeliche con chiralità supramolecolare controllabile, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46839-y
Li Shao et al, Autoassemblaggio gerarchico di materiali funzionali multidimensionali da peptoidi definiti in sequenza, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202403263
Informazioni sul giornale: Edizione Internazionale Angewandte Chemie , Angewandte Chemie , Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
