Dankzij een team van onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Universiteit van Massachusetts Amherst, wetenschappers kunnen patronen lezen op lange ketens van moleculen om het gedrag van ongeordende strengen eiwitten en polymeren te begrijpen en te voorspellen. De resultaten konden, onder andere, de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe materialen uit synthetische polymeren.

Het laboratorium van Charles Sing, assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering in Illinois, op voorwaarde dat de theorie achter de ontdekking, die vervolgens werd geverifieerd door middel van experimenten uitgevoerd in het laboratorium van Sarah Perry, assistent-professor chemische technologie aan de UMass Amherst, en Illinois-alumna. De medewerkers hebben hun bevindingen gedetailleerd beschreven in een paper met de titel "Designing Electrostatic Interactions via Polyelectrolyte Monomer Sequence", gepubliceerd in ACS (American Chemical Society) Centrale wetenschap .

De collega's wilden de fysica achter de precieze volgorde van geladen monomeren langs de keten begrijpen en hoe dit het vermogen van het polymeer beïnvloedt om zelfassemblerende vloeibare materialen te creëren die complexe coacervaten worden genoemd.

"Wat ik opwindend vind aan dit werk, is dat we inspiratie halen uit een biologisch systeem, " Zei Sing. "Het typische beeld van een eiwit laat zien dat het zich vouwt tot een zeer precieze structuur. Dit systeem, echter, is gebaseerd op intrinsiek ongeordende eiwitten."

Dit artikel bouwt voort op eerdere bevindingen van Perry en Sing uit 2017, die uiteindelijk bedoeld is om slim materiaalontwerp te helpen bevorderen.

"Ons eerdere artikel toonde aan dat deze sequenties ertoe doen, deze laat zien waarom ze ertoe doen, " Sing uitgelegd. "De eerste toonde aan dat verschillende sequenties verschillende eigenschappen geven in complexe coacervatie. Wat we nu kunnen doen, is een theorie gebruiken om daadwerkelijk te voorspellen waarom ze zich zo gedragen."

In tegenstelling tot gestructureerde eiwitten, die interageren met zeer specifieke bindingspartners, de meeste synthetische polymeren niet.

"Ze zijn vager omdat ze zullen reageren met een breed scala aan moleculen in hun omgeving, ' legde Zingen uit.

Ze ontdekten dat ondanks dit feit, de precieze volgorde van de monomeren langs een eiwit (de aminozuren) maakt echt een verschil.

"Het is voor biofysici duidelijk dat volgorde een groot verschil maakt als ze een zeer precieze structuur vormen, ' zei Sing. 'Het blijkt dat het maakt ook een groot verschil als ze onnauwkeurige structuren vormen."

Zelfs ongestructureerde eiwitten hebben een precisie die ermee geassocieerd is. monomeren, de bouwstenen van complexe moleculen, zijn de schakels in de keten. Wat Sing's groep theoretiseerde, is dat door de volgorde van polymeren en monomeren en de lading (positief, negatief of neutraal) geassocieerd met hen, men kan de fysische eigenschappen van de complexe moleculen voorspellen.

"Terwijl onderzoekers wisten dat als ze verschillende ladingen op verschillende plaatsen in een van deze intrinsiek ongeordende eiwitten plaatsen, de werkelijke thermodynamische eigenschappen veranderen, ' zei Sing.

"Wat we kunnen laten zien, is dat je de sterkte hiervan kunt veranderen door het heel specifiek op de reeks te veranderen. Er zijn hier gevallen dat door de reeks te veranderen door slechts een enkel monomeer (een enkele schakel in die keten), het kan drastisch veranderen hoe deze dingen zich kunnen vormen. We hebben ook bewezen dat we de uitkomst kunnen voorspellen."

Sing voegt eraan toe dat deze informatie waardevol is voor biofysici, bio-ingenieurs en materiaalwetenschappers. Deze ontdekking zal ingenieurs helpen een brede klasse van eiwitten te begrijpen en eiwitten af ​​te stemmen om hun gedrag aan te passen. Het geeft ze een nieuwe manier om informatie in moleculen te stoppen voor het bouwen van nieuwe materialen en om beter te kunnen inschatten hoe deze eigenschappen zich gedragen.

Materiaalwetenschappers kunnen, bijvoorbeeld, gebruik deze informatie om een ​​zekere mate van controle over een materiaal te hebben om het te laten assembleren tot zeer gecompliceerde structuren of om membranen te maken die verontreinigingen in water precies uitfilteren. Hun hoop is dat wetenschappers, geïnspireerd door biopolymeren, kan dit vermogen gebruiken om het fysieke gedrag te voorspellen door simpelweg de reeks te lezen om uiteindelijk op deze manier nieuwe slimme materialen te ontwerpen.

"Dit brengt in zekere zin biologie en synthetische polymeren dichter bij elkaar, ' zei Sing. 'Bijvoorbeeld, aan het einde van de dag, er is geen groot verschil in de chemie tussen eiwitten en nylon. Biologie gebruikt die informatie om te instrueren hoe het leven verloopt. Als u de identiteit van deze verschillende links specifiek kunt invoeren, dat is waardevolle informatie voor een aantal andere toepassingen."