Zijdeachtige chocolade, een beter medicijn, of zonnepanelen vereisen allemaal hetzelfde:precies de juiste kristallen waaruit het materiaal bestaat. Nutsvoorzieningen, wetenschappers die proberen de paden te begrijpen die kristallen nemen terwijl ze zich vormen, hebben dat pad kunnen beïnvloeden door het startbestanddeel te wijzigen.

De inzichten uit de resultaten, gemeld op 17 april in Natuurmaterialen , zou wetenschappers uiteindelijk kunnen helpen bij het beter beheersen van het ontwerp van een verscheidenheid aan producten voor energie of medische technologieën.

"De bevindingen gaan over een voortdurend debat over kristallisatieroutes, "Zei materiaalwetenschapper Jim De Yoreo van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy en de University of Washington. "Ze impliceren dat je de verschillende stadia van materiaalassemblage kunt beheersen door zorgvuldig de structuur van je startmoleculen te kiezen."

Van slap naar stijf

Een van de eenvoudigste kristallen, diamanten zijn samengesteld uit één atoom:koolstof. Maar in de levende wereld, Kristallen, zoals die gevormd door cacaoboter in chocolade of slecht gevormde die sikkelcelanemie veroorzaken, zijn gemaakt van moleculen die lang en slap zijn en een lange, goed gedefinieerde reeks van veel atomen bevatten. Ze kunnen op verschillende manieren kristalliseren, maar slechts één manier is de beste. Bij geneesmiddelen, het verschil kan een medicijn betekenen dat werkt versus een medicijn dat niet werkt.

Chemici hebben nog niet genoeg controle over kristallisatie om de beste vorm te garanderen, deels omdat chemici niet zeker weten hoe de vroegste stappen in kristallisatie plaatsvinden. Een specifiek debat was gericht op de vraag of complexe moleculen direct kunnen assembleren, waarbij het ene molecuul aan het andere hecht, zoals het toevoegen van één speelkaart per keer aan een kaartspel. Ze noemen dit een eenstapsproces, de wiskundige regels die wetenschappers al lang begrijpen.

De andere kant van het debat stelt dat kristallen twee stappen nodig hebben om zich te vormen. Experimenten suggereren dat de beginnende moleculen eerst een ongeordende massa vormen en dan, van binnen die groep, begin te herschikken tot een kristal, alsof de kaarten eerst tot een stapel moeten worden gemengd voordat ze een kaartspel kunnen vormen. De Yoreo en zijn collega's wilden bepalen of kristallisatie altijd de ongeordende stap vereiste, en zo niet, waarom niet.

Klomp, snap en...

Om dit te doen, de wetenschappers vormden kristallen van een enigszins vereenvoudigde versie van de sequentie-gedefinieerde moleculen die in de natuur worden gevonden, een versie die ze een peptoid noemen. De peptoïde was niet ingewikkeld - slechts een reeks van twee herhalende chemische subeenheden (denk aan "ABABAB") - maar toch complex omdat het een tiental subeenheden lang was. Op basis van zijn symmetrische chemische aard, het team verwachtte dat meerdere moleculen zouden samenkomen in een grotere structuur, alsof het Legoblokjes waren die in elkaar klikken.

In een tweede reeks experimenten, ze wilden testen hoe een iets gecompliceerder molecuul in elkaar zat. Dus, het team voegde een molecuul toe aan de oorspronkelijke ABABAB...-sequentie die uitstak als een staart. De staarten trokken elkaar aan, en het team verwachtte dat hun associatie de nieuwe moleculen zou doen klonteren. Maar ze wisten niet zeker wat er daarna zou gebeuren.

De onderzoekers stopten de peptoïde moleculen in oplossingen om ze te laten kristalliseren. Vervolgens gebruikte het team verschillende analytische technieken om te zien welke vormen de peptoïden maakten en hoe snel. Het blijkt dat de twee peptoïden kristallen op heel verschillende manieren vormden.

Een staart van twee stappen

Zoals de wetenschappers meestal verwachtten, de eenvoudigere peptoïde vormde aanvankelijke kristallen van enkele nanometers groot die langer en groter werden naarmate meer van de peptoïde moleculen op hun plaats klikten. De eenvoudige peptoïde volgde alle regels van een eenstaps kristallisatieproces.

Maar door de staart in de mix te steken, werd de rust verstoord, waardoor een complexe reeks gebeurtenissen plaatsvond voordat de kristallen verschenen. Algemeen, het team toonde aan dat deze meer gecompliceerde peptoïde eerst samenklonterde tot kleine clusters die ongezien waren met de eenvoudigere moleculen.

Sommige van deze clusters vestigden zich op het beschikbare oppervlak, waar ze onveranderlijk zaten voordat ze plotseling in kristallen veranderden en uiteindelijk uitgroeiden tot dezelfde kristallen als met de eenvoudige peptoïde. Dit gedrag was iets nieuws en vereiste een ander wiskundig model om het te beschrijven, volgens de onderzoekers. Door de nieuwe regels te begrijpen, kunnen onderzoekers bepalen wat de beste manier is om moleculen te kristalliseren.

"We hadden niet verwacht dat zo'n kleine verandering ervoor zorgt dat de peptoïden zich zo gedragen, " zei De Yoreo. "De resultaten doen ons op een nieuwe manier over het systeem nadenken, waarvan wij denken dat dit zal leiden tot meer voorspellende controle over het ontwerp en de assemblage van biomimetische materialen."