Eenvoudige LEGO-stenen kunnen worden samengevoegd tot meer gecompliceerde constructies, die verder kan worden geassocieerd met een breed scala aan complexe architecturen, van auto's, raketten, en schepen naar gigantische kastelen en pretparken. Zo'n evenement van meerstapsmontage, zogenaamde 'hiërarchische zelfassemblage, ' komt ook voor in levende organismen.

Professor Kimoon Kim (Departement Scheikunde, POSTECH) en zijn onderzoeksteam (Center for Self-assembly and Complexity, Institute for Basic Science) ontdekte dat een op cucurbituril gebaseerd gastheer-gastcomplex polymeriseerde tot een lineaire polymeerketen, die verder met elkaar werden geassocieerd tot een holle microtubule via van der Waals-interacties die voortkwamen uit hun vorm-zelf-complementariteit. Hun nieuwe bevindingen worden geïntroduceerd als breaking news in Internationale editie van Angewandte Chemie , dat is een van 's werelds gerenommeerde tijdschriften in Chemistry.

Microtubuli bestaan ​​in levende cellen van planten en dieren en zijn essentieel voor het in stand houden van celstructuren, migratie van cellen, intracellulair transport en meer. Met andere woorden, essentiële cellulaire functies zoals celdeling en intracellulair transport kunnen niet worden uitgevoerd wanneer zich problemen voordoen bij de vorming of dissociatie van microtubuli.

Deze microtubuli worden gevormd via hiërarchische zelfassemblage van bolvormige eiwitten in tubulines van nanometergrootte, die uitgroeien tot lineaire protofilamenten. Vervolgens, deze protofilamenten worden samengevoegd tot een meerstrengige buisvormige structuur met een lengte van meer dan tientallen micrometers.

Vóór de bevindingen van de onderzoekers, vele pogingen werden gedaan om de zelfassemblage van microtubuli jarenlang in de diepte na te bootsen. Echter, het vormingsmechanisme van natuurlijke microtubuli op moleculair niveau is nog onduidelijk.

Om kunstmatige microtubuli te maken, de onderzoeksgroep gebruikte het op cucurbituril gebaseerde gastheer-gastcomplex met twee thiolgroepen aan beide uiteinden als een bouwsteen. Deze bouwsteen assembleerde tot eendimensionale lineaire polymeren door vorming van disulfidebindingen. Vervolgens, deze polymeren werden lateraal geassocieerd in een holle cilindrische architectuur vergelijkbaar met natuurlijke microtubuli door van der Waals-interacties. De vorming van kunstmatige microtubuli werd gekenmerkt door verschillende spectroscopische en microscopische onderzoeken, waaronder röntgendiffractie bij Pohang Light Source.

Het onderzoeksteam ontdekte dat de polymeerketen vanzelf recht en stijf werd, en uiteindelijk kwam de zelfcomplementariteit van LEGO-steenachtige vormen naar voren tijdens de groei van polymeer. Opvallend, de convexe structuren van een ketting pasten goed bij de concave delen van de aangrenzende kettingen, waardoor laterale associatie van polymeerketens mogelijk was.

De eerste auteur van het artikel, Wooseup Hwang legde uit, "Studies vóór onze ontdekking waren gericht op het nabootsen van de architectuur van microtubuli. Wat ons onderzoek onderscheidt van de conventionele, is dat we proberen het vormingsmechanisme van microtubuli en architectuur na te bootsen."

Dr. Kangkyun Baek, de andere co-corresponderende auteur merkte op, "We zijn van plan onze studie uit te breiden om dynamisch gedrag en verschillende biologische functies van natuurlijke microtubuli na te bootsen, " en "Deze nieuwe benadering, gebaseerd op de complementariteit van de vorm zelf, zal een stap voorwaarts maken om het vormingsmechanisme van natuurlijke microtubuli te begrijpen en nieuwe mogelijkheden bieden om onconventionele hiërarchische zelfassemblages en nieuwe functionele materialen te verkennen."