OIST-onderzoekers creëren zelfassemblerende moleculen die kunnen worden afgebroken door ultraviolet licht om te recombineren tot nieuwe macroscopische vormen.

Traditionele chemie is enorm krachtig als het gaat om het produceren van zeer diverse en zeer complexe microscopisch kleine chemische moleculen. Maar een ding dat buiten bereik ligt, is de synthese van grote structuren tot op macroscopische schaal, waarvoor enorme hoeveelheden chemicaliën nodig zouden zijn, evenals een uitgebreide en gecompliceerde techniek. Voor dit doeleinde, wetenschappers vertrouwen in plaats daarvan op "zelf-assemblerende" moleculen, verbindingen die kunnen interageren met andere kopieën van zichzelf om spontaan samen te komen in sferen, buizen of andere gewenste vormen. Met behulp van deze aanpak, onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) rapporteren nu in Chemische communicatie nieuwe zelfassemblerende moleculen die kunnen transformeren in nieuwe, exotische en voorheen onopgemerkte vormen door simpelweg UV-licht te gebruiken om ze te dwingen anders te rangschikken in "metastabiele" toestanden.

Bij het ontwerpen van zelfmontagestructuren, wetenschappers streven doorgaans naar de toestand met de laagste energie - of "grondtoestand, " waarin de structuur de hoogste stabiliteit zou hebben. Minder stabiele vormen worden meestal afgedaan als onjuist en ongewenst. omdat deze "grondtoestand" erg stabiel is, is het moeilijk om de structuur af te breken als je de vorm ervan wilt veranderen. In dit onderzoek, OIST-wetenschappers hebben een zwak punt in hun zelf-geassembleerde structuren in de grondtoestand aangebracht, resulterend in structuren die slechts een klein duwtje nodig hebben om in te storten. In dit geval, de nudge is het gebruik van ultraviolet licht om een ​​specifieke binding tussen twee atomen in het molecuul te knippen, het splitsen van de structuur in kleinere fragmenten. De fragmenten zijn dan in staat om samen te assembleren tot minder stabiele - metastabiele genoemd - maar nieuwe en exotische vormen.

"Dit rapport gaat over een nieuw concept in de materiaalwetenschap, ", legt prof. Zhang van de Bioinspired Soft Matter Unit en auteur van de studie uit. "We hebben een fenomeen van zelfassemblage omgezet in co-assembleren op een ruimtelijk en temporeel controleerbare manier met behulp van licht. Eventueel, we hebben exotische heterogene nanostructuren geconstrueerd die ontoegankelijk zijn via een conventioneel synthetisch pad."

Dit nieuwe concept leidde tot een fascinerende ontdekking:omdat de resterende fragmenten dicht opeengepakt zijn na het instorten van de oorspronkelijke structuur, ze kunnen nieuwe en exotische structuren vormen die niet haalbaar zijn als je dezelfde moleculen gewoon in de vrije beweging mengt. Stel je deze nanostructuren voor die gemaakt zijn van Legoblokjes:in eerste instantie heb je 2x5 stenen - 2 noppen breed en 5 noppen lang - die zichzelf samenvoegen tot een nanovezel. Ultraviolet licht zal deze 2x5 stenen in twee kleinere stukken splitsen, bijvoorbeeld een 2x3 steen en een 2x2 steen, vernietiging van de gehele vezelachtige structuur. Maar omdat deze kleinere stenen ruimtelijk voorgeordend blijven en dicht bij elkaar blijven, ze kunnen zichzelf gemakkelijk recombineren tot nieuwe vormen die zichtbaar zijn met het blote oog. In tegenstelling tot, als je in een apart experiment gewoon 2x3 en 2x2 Legoblokjes willekeurig mengt in een emmer met verschillende afstanden tussen de stenen, hun gebrek aan ruimtelijke organisatie verhindert de assemblage van dergelijke nieuwe nanostructuren.

Volgens prof. Zhang, het vermogen om nieuwe structuren te creëren is van vitaal belang:"In de materiaalwetenschap, de functie is altijd gerelateerd aan de structuur. Als u een andere structuur maakt, je manipuleert de functie en maakt zelfs nieuwe applicaties." de toxiciteit van een molecuul in de vorm van een nanovezel kan veel lager of hoger zijn dan hetzelfde molecuul dat in een bolvorm is geassembleerd."

Het huidige onderzoek bij OIST suggereert sterk dat de beginomstandigheden de meest kritische parameter zijn die de uiteindelijke vorm van zelfassemblerende moleculen beïnvloedt. "Als je weet hoe de moleculen met elkaar inpakken uit de parameters van de begintoestand, dan geeft het je meer aanwijzingen om te richten op een specifieke macroscopische vorm, " merkte prof. Zhang op.

Dit vermogen om van gedaante te veranderen heeft een groot potentieel voor biologische toepassingen. Prof. Zhang suggereerde, “Je brengt het molecuul bijvoorbeeld in een levend organisme en het neemt een bepaalde structuur aan. je verbreekt een chemische binding en dan schakelt het molecuul over naar een andere structuur met de functie die je wilt."

In farmaceutisch ontwerp, een dergelijk concept zou een medicijn in staat stellen om zijn doel te bereiken in een levend organisme - een orgaan of een tumor - in een inactieve staat, waardoor mogelijke bijwerkingen worden beperkt. Eenmaal afgebroken op deze beoogde locatie, het medicijn zou zichzelf hervormen in een andere structuur met therapeutische activiteit.

Prof. Zhang concludeerde, "Voor nu, het gebruik van ultraviolet licht zoals wij dat doen, is niet ideaal omdat het giftig is voor levende cellen. De volgende stap voor ons is om te evolueren naar meer biocompatibele zelfassemblerende structuren met een beter aanpassingsvermogen aan levende systemen."