Onderzoekers hebben lang gewerkt aan een grote uitdaging in de synthesewetenschap:het ontwerpen en synthetiseren van bio-geïnspireerde functionele materialen die wedijveren met die in de biologie. Als we kunnen leren hoe we in vivo functies van natuurlijke eiwitten kunnen nabootsen, zoals hoe biomoleculen (bijv. eiwitten) en anorganische zouten interageren om tanden te vormen, botten, of schaalmineralen - onderzoekers kunnen de ontdekking mogelijk toepassen om zeer complexe, ontwerpbaar, hybride materialen voor energiegerelateerde toepassingen.

In een onlangs gepubliceerd artikel in Natuurcommunicatie , Chun-Long Chen, een materiaalwetenschapper bij Pacific Northwest National Laboratory, beschreef hoe zijn multidisciplinaire team de complexe functionaliteit van hiërarchische materie probeerde te begrijpen en te benutten en de vorm en functie ervan te voorspellen. Het team heeft zorgvuldig peptoïden ontworpen, soorten sequentiegedefinieerde synthetische moleculen, om de vorming van bolvormige koraalvormige gouden nanodeeltjes te beheersen. Ze probeerden ook te begrijpen hoe het peptoïde molecuul functioneert tijdens de vorming van deeltjes, hoe peptoïden met elkaar omgaan, en hoe ze zich binden aan het oppervlak van goud. Onderweg, ze ontdekten hoe deze mechanistische studies de regels kunnen schrijven voor het ontwerpen van peptoïden voor voorspellende materiaalsynthese.

"Het proces was fascinerend, "zei Chen. "Het beheersen van de kiemvorming, groei kinetiek, en morfologie van nanogestructureerde anorganische materialen met sequentie-gedefinieerde moleculen om opzettelijk deze bolvormige koraalvormige nanostructuren te produceren, gaf ons het vertrouwen dat andere vormen met vergelijkbare methoden konden worden bereikt."

Hun werk leidde tot een belangrijke prestatie in materiaalsynthese:de ontwikkeling van een vuistregel voor het ontwerpen van peptoïden die voorspellende synthese van koraalvormige gouden nanodeeltjes mogelijk maken. Deze individuele gouddeeltjes vertonen een plasmonische versterking van wel 10 ⁵ vouw.

Terwijl natuurlijke organismen een grote verscheidenheid aan buitengewoon complexe, nano-, micro-, en functionele materialen op macroschaal met hoge opbrengsten op een energie-efficiënte en zeer reproduceerbare manier, allemaal onder tamelijk milde waterige synthetische omstandigheden, het bereiken van een dergelijke nauwkeurige controle over de morfologie van nanodeeltjes is een uitdaging. Dit kunnen is belangrijk voor toekomstige technologische toepassingen van nanodeeltjes. Het niveau van controle en complexiteit van de nanostructuren in dit specifieke onderzoek vallen op en, zoals Chen opmerkt, brengt ons dichter bij voorspellend, bio-geïnspireerd, synthese van materialen.

Het op peptoïde gebaseerde, biomimetrische benadering genereert complexe, functionele nanomaterialen onder milde waterige synthetische omstandigheden; onderzoekers die de synthese van hybride materialen bestuderen voor energiegerelateerde toepassingen (bijv. zonne-energie of batterijtoepassingen) zouden ze waarschijnlijk interessant vinden.

Het bereiken van de voorspelbare synthese van anorganische nanomaterialen is een langdurige uitdaging. Als wetenschappers de regels kunnen ontwikkelen voor het nauwkeurig controleren van de morfologie van materialen - zoals de natuur doet tijdens de vorming van biomineralen - kunnen ze deze bio-geïnspireerde benaderingen gebruiken om zeer complexe, ontwerpbaar, hybride materialen op een rationele of zelfs voorspelbare manier voor energiegerelateerde toepassingen.

Vroeger, veel onderzoekers hebben biomoleculen - met name eiwitten en peptiden - gebruikt om manieren te ontwikkelen om de vorming van nanomaterialen te beheersen, maar de regels voor het ontwerpen van moleculen die leiden tot de vorming van materialen met voorspelbare morfologieën zijn nog onbekend. In dit onderzoek, Chen en zijn team besloten peptoïden te gebruiken om de vorming van gouden nanomaterialen te beheersen. Ze gebruikten specifiek peptoïden (in plaats van eiwitten en peptiden) om drie redenen:peptoïden hebben niet de intrinsieke complexiteit die wordt veroorzaakt door het vouwen van de ruggengraat, peptoïden hebben vergelijkbare of zelfs grotere variaties van zijketens, en peptoïden hebben een hogere chemische en thermische stabiliteit.

Het team stelde zich voor dat het hoge informatiegehalte van peptoïde moleculen hen controle zou geven over de vorming van materialen en de regels achter het vormingsproces zou onthullen.

"Het succes van dit onderzoek is een mooi voorbeeld van teamwork, " zei Chen.

De krant van het team, gepubliceerd in Natuurcommunicatie als "Gecontroleerde synthese van sterk vertakte plasmonische gouden nanodeeltjes door peptoïde engineering, " beschrijft dat teamwerk in detail. Stappen omvatten het ontwerpen en synthetiseren van peptoïden met rationele modificaties van hun chemie; het gebruik van ultramoderne vloeistofceltransmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om te observeren hoe de deeltjes zich vormen, bijvoegen, en in realtime samensmelten tot clusters van nanostaafjes; het gebruik van moleculaire dynamica-simulaties om te laten zien hoe peptoïde moleculen met variabele chemie interageren met goud; en het gebruik van time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometrie en röntgenfoto-elektronspectroscopietechnieken om de computationele voorspellingen experimenteel te bevestigen.

Door deze mechanistische studies, het team kreeg een duidelijk begrip van peptoïde-gecontroleerde koraalvormige gouden nanodeeltjesvorming. Dit hielp hen een vuistregel te ontwikkelen voor het ontwerpen van peptoïden die voorspellend de morfologische evolutie mogelijk maakten van bolvormige naar koraalvormige nanodeeltjes. Het team ontdekte ook dat de individuele koraalvormige gouden nanodeeltjes een plasmonische verbetering vertoonden van wel 105 keer, en ze waren in staat om deze peptoïde-gebaseerde benadering uit te breiden voor gecontroleerde synthese van andere koraalvormige nanodeeltjes, het benadrukken van het brede nut ervan.

Het bereiken van een hoog niveau van regulering van de morfologie - gezien wanneer de vorming van biomineralen wordt gecontroleerd door eiwitten en peptiden - is nog steeds een grote uitdaging en de regels voor de bio-gecontroleerde vorming van nanomaterialen blijven onbekend. Voortbouwend op hun succes bij het onderscheiden van de regels voor het maken van koraalvormige nanodeeltjes, Chen en zijn team hebben nieuwe vormen in gedachten. Ze werken momenteel aan het bereiken van een soortgelijk begrip van de peptoïde-gecontroleerde vorming van andere morfologieën, waaronder vijfpuntige stervormige gouden nanodeeltjes en velachtige zilveren nanodeeltjesassemblages. Hij verwacht dat deze op peptoïden gebaseerde benadering kan leiden tot de creatie van een breed scala aan complexe morfologieën en uiteindelijk nuttig zal zijn voor het ontwikkelen van een voorspellende synthese van nanomaterialen met complexe morfologieën en programmeerbare functies.