Als je een hoog huis wilt bouwen, je moet steigers gebruiken. Professor Ye Zhang en collega's van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) passen dit constructieprincipe toe op hun laboratoriumwerk, met één groot verschil:de materialen waarmee ze werken zijn slechts enkele miljardsten van een vierkante meter groot.

Constructie op nanoschaal is een gebied van nanotechnologie dat nanomaterialen gebruikt als basisbouwstenen om materialen met specifieke kenmerken te creëren. In de begindagen van het veld, onderzoekers onderzochten het potentieel van het bouwen van structuren op nanoschaal / microschaal met behulp van enkele moleculaire componenten. Nutsvoorzieningen, wetenschappers worden geïnspireerd door de biologische wereld die een veel complexer proces met interacties tussen veel verschillende componenten omvat.

In levende organismen, complexe moleculaire structuren worden voortdurend geconstrueerd en gedeconstrueerd tijdens de levenscyclus van het organisme. Bijvoorbeeld, om in het lichaam te bewegen, cellen moeten interageren met hun externe omgeving, bekend als de extracellulaire matrix (ECM). De ECM is de natuurlijke vezelige steiger die structurele en biochemische ondersteuning biedt aan de omringende cellen. Om ruimte voor zichzelf te creëren om te bewegen, cellen scheiden protease-enzymen af, die de ECM gedeeltelijk verteren. Omgekeerd, moleculen in de ECM kunnen ook processen in de cel zelf ondersteunen of onderdrukken.

Geïnspireerd door de biologische bouwmethoden die worden gebruikt in cellen en de ECM, de Bio-geïnspireerde Soft Matter-eenheid, onder leiding van prof. Zhang, heeft een toolkit op nanoschaal ontworpen en gesynthetiseerd van moleculen die met elkaar kunnen interageren om complexe moleculaire structuren samen te stellen. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie .

De onderzoekers ontwierpen en synthetiseerden twee moleculen op basis van een geurige organische chemische verbinding genaamd coumarine. Een daarvan is een peptidemolecuul dat zichzelf assembleert tot nanovezels. Deze komen samen om een ​​moleculaire "scaffold" te vormen. De andere is een benzoaatmolecuul dat zichzelf assembleert tot bladachtige nanostructuren. Deze platen vormen moleculaire "stenen", die op hun beurt vorm krijgen als moleculaire torens. Wanneer deze moleculen met elkaar worden gemengd, ze onderscheiden zich per type, zichzelf assembleren en vervolgens samenwerken om moleculaire structuren van hogere orde te bouwen.

De onderzoekers veranderden de structuur van de moleculaire scaffold door UV-licht of een enzym te gebruiken om de nanovezels te splitsen, waardoor ze de hoogte van de 'moleculaire toren' konden manipuleren. Ze gebruikten scanning elektronenmicroscopen bij OIST om structurele kenmerken van de moleculen te observeren, zoals lagen en vormen. Vervolgens, met de hulp van OIST-technici, ze gebruikten atoomkrachtmicroscopie om de exacte hoogte van de moleculaire torens in nanometers te meten.

Ze toonden aan dat de fibreuze peptide-steiger de hoogte en architectuur van de moleculaire toren reguleert. Met behulp van deze steiger, die ondersteuning biedt door oppervlakte-interacties tussen de nanostructuren, de benzoaatstenen kunnen hogere structuren vormen. "Terwijl alleen de moleculaire stenen torens tot 100 nanometer kunnen bouwen, toen we de vezel toevoegden, ze konden torens bouwen tot 900 nanometer, " zegt prof. Zhang.

Door het moleculaire zelfassemblageproces na te bootsen dat plaatsvindt in levende organismen, scheikundigen kunnen nieuwe methoden leren voor chemische synthese van nano-/microstructuren. In de toekomst, de Bioinspired Soft Matter Unit hoopt specifieke moleculen op biologische membranen te construeren om het lot van cellen te reguleren. Bijvoorbeeld, door moleculen op celmembranen te bouwen, ze hopen ooit de ruimtelijke organisatie van membraaneiwitten te kunnen manipuleren.