Inspiratie halen uit de natuur, onderzoekers maken op aanvraag polymeren met steeds preciezere samenstellingen. Met behulp van meerstapssynthesetools uit de biologie, biochemie en organische synthese, een groep meldt dat het synthetische polymeren met ultrahoge precisie ontwikkelt met nauwkeurig gecontroleerde ketenlengtes en monomeersequenties. De resulterende informatiebevattende macromoleculen kunnen worden ingezet voor gegevensopslag, technologieën tegen namaak en traceerbaarheid.

De onderzoekers zullen hun resultaten vandaag presenteren op de American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"Er zijn in principe twee soorten polymeren, " zegt Jean-François Lutz, doctoraat "Eén type is plastic, die door mensen is gemaakt. Het andere type heet een biopolymeer, en het is een veel meer gedefinieerd molecuul. In feite, mensen zijn meestal geconstrueerd met polymeren - DNA en eiwitten."

Conventionele chemische fabricagetechnieken kunnen polymeren met onregelmatige lengtes en sequenties produceren. Maar, Lutz merkt op, de natuur is nauwkeuriger. Er is een enorm verschil in structurele kwaliteit tussen kunstmatige en biologische polymeren, hij legt uit. "Het doel van ons werk is om de leemte op te vullen - om synthetische polymeren te maken met behulp van biologische inspiratie."

Over het algemeen, sequentie-gecontroleerde polymeren kunnen worden geconstrueerd ofwel door ketengroei- of stapgroeipolymerisaties. Beide benaderingen kunnen polymeerketens van verschillende lengtes bereiken. Echter, wanneer verschillende monomeren worden gecombineerd tot polymeren, ze zullen variëren in keten-tot-keten samenstelling en volgorde. Dergelijke polymeren zijn niet ideaal voor toepassingen, zoals coderen, waarin een nauwkeurige, uniforme structuur nodig.

Lutz en zijn groep aan het Institut Charles Sadron hebben gewerkt aan het bouwen van synthetische moleculen met dezelfde precisie en uniformiteit als biologische macromoleculen. "We haalden de eerste inspiratie uit DNA, dat is een polymeer gemaakt met vier monomeren:adenine, thymine, guanine en cytosine, " zegt Lutz. "Hoewel DNA een polymeer is dat codeert voor de informatie die ons menselijk maakt - een belangrijke prestatie - is het echt niet de beste structuur voor veel andere dingen. We dachten dat we misschien een polymeer konden maken dat net zo informatierijk is, maar de structuur verbeteren zodat deze voor verschillende toepassingen kan worden gebruikt."

De groep construeert zijn synthetische polymeren met volledig gecontroleerde primaire structuren met behulp van vaste-fase iteratieve chemie, een proces dat oorspronkelijk is ontwikkeld om peptiden te maken, of korte stukjes eiwitten. In de afgelopen jaren, het team heeft precies op maat gemaakte polymeren gemaakt voor toepassingen voor gegevensopslag. In deze polymeren elk monomeer of elke subeenheid staat voor een specifiek stuk informatie. Tot dusver, de onderzoekers hebben kleine gegevensopslagapparaten gemaakt van gelaagde sequentiegecodeerde polymeren. Onlangs, ze hebben ook de kristallisatie van gecodeerde synthetische polymeren bestudeerd en vastgesteld dat de moleculaire bits die ze bevatten veel kleinere volumes innemen dan de nucleotiden in DNA. "Abiotische sequentiegecodeerde polymeren zijn nu veel verder dan proof-of-concept, " zegt Lutz. "Wij waren de eerste groep. Nu is het een trend of veld in de polymeerchemie."

Lutz gelooft dat binnen de komende 10 jaar, zijn groep zal anti-namaak- en traceerbaarheidstechnologieën op de markt brengen met behulp van hun nauwkeurig op maat gemaakte polymeren. Namaak van medische hulpmiddelen is een groot probleem. De Wereldgezondheidsorganisatie schat dat meer dan acht procent van de medische hulpmiddelen in omloop vervalsingen zijn. De groep van Lutz bouwt en voegt sequentiegedefinieerde polymeren toe in medische apparaten zoals oculaire implantaten. De polymeren kunnen later worden geëxtraheerd en geïdentificeerd door tandemmassaspectroscopie.

"Als je code in een molecuul kunt opslaan, je kunt je voorstellen dat je met een enkel molecuul iets kunt schrijven, zoals de naam van een bedrijf, een batchnummer of productiedatum, " zegt Lutz. "Je hebt een molecuul dat je direct kunt mengen met verschillende materialen, zoals kunststof of keramiek. We kunnen het molecuul in het scherm van een smartphone plaatsen, een medisch hulpmiddel of een implantaat in het lichaam. We zouden het zelfs in een dure luxe tas kunnen stoppen."