Een team van chemici van de Universiteit van Californië in San Diego voerde baanbrekend onderzoek uit voor materiaalwetenschap - een gebied waarvoor de chemie vaak informatie verschaft over de structuur en samenstelling van materialen, evenals de processen voor het maken en gebruiken ervan. Het doel is om nieuwe materialen te creëren - van metalen en rubber tot coatings en kristallen.

Onderzoekers van de afdeling Scheikunde en Biochemie hebben dit doel bereikt door onwaarschijnlijke materialen te mengen om een ​​nieuwe hybride vorm van kristallijne materie te creëren die de praktijk van materiaalwetenschap zou kunnen veranderen. De bevindingen, gepubliceerd in Natuur , potentiële voordelen bieden voor de geneeskunde en de farmaceutische industrie.

Ling Zhang, Jake Bailey en Rohit Subramanian, alle Ph.D. kandidaten die studeren bij professor Akif Tezcan, combineerde eiwitkristallen met synthetische polymeren om de nieuwe hybride materialen te creëren.

"De chemische integratie van twee van dergelijke ongelijksoortige stoffen geeft aanleiding tot een nieuwe vorm van materie die de fundamentele beperking dat geordende stoffen broos en onbuigzaam zijn, volledig omzeilt, en flexibele materialen zijn verstoken van orde, " legde Tezcan uit, die Tezcan Lab op UC San Diego exploiteert.

Kristallen zijn arrays van atomen of moleculen die periodiek in een driedimensionale ruimte zijn geordend door middel van specifieke interacties. Omdat deze interacties de naburige bestanddelen in een unieke opstelling houden, kristallen - als zoutkorrels, kan bijvoorbeeld niet buigen of uitzetten. In plaats daarvan, indien geraakt door een botte kracht, ze vallen uiteen in stukken die niet meer samen kunnen komen. De onderzoekers omzeilden deze fundamentele beperkingen door eiwitkristallen te infuseren met een netwerk van hydrogelpolymeren, die in wezen floppy zijn, plakkerige ketens die een vormgeheugenvorm rond de eiwitmoleculen vormen. Door deze schimmel kunnen de eiwitkristallen zichzelf genezen wanneer ze barsten, evenals om uit te zetten (soms tot 500 procent in volume) en samen te trekken zonder hun kristalliniteit te verliezen. In feite, de UC San Diego-onderzoekers merkten op dat in sommige gevallen de volgorde op atomair niveau van de eiwitmoleculen toenam bij uitzetting en samentrekking. De verhoogde volgorde stelde de onderzoekers in staat röntgenstraling te gebruiken om structuren met een hogere resolutie te verkrijgen dan ooit voor een eiwit dat ferritine wordt genoemd (geproduceerd in een verscheidenheid aan organismen om ijzer op te slaan).

Volgens Tezcan, deze resultaten bieden veelbelovend voor het gebruik van de strategie in het algemeen om de röntgenkristallografie van eiwitten te verbeteren, de overheersende methode om de atomaire structuren en functies te onderzoeken. De kristal-hydrogel-hybriden bieden ook een blauwdruk voor het maken van tegelijkertijd taaie en sterke materialen die bestand zijn tegen breuk. Bovendien, het vermogen van deze materialen om uit te zetten en samen te trekken kan misschien worden gebruikt om grote biologische agentia zoals antilichamen en nucleïnezuren veilig op te slaan, en om ze vervolgens voor therapeutische doeleinden op de gewenste locaties in het lichaam vrij te geven.

"Deze materialen combineren op unieke wijze de structurele volgorde en periodiciteit van moleculaire kristallen, het aanpassingsvermogen en de afstembare mechanische eigenschappen van synthetische polymeren, en de chemische veelzijdigheid van eiwitbouwstenen, " zei Tezcan. "Het leukste aan dit werk was hoe het verschillende disciplines en technieken op onvoorziene manieren combineerde om nieuwe onderzoeksrichtingen te creëren."