In een ontdekking met verstrekkende implicaties hebben onderzoekers van de University of Massachusetts Amherst onlangs aangekondigd in de Proceedings of the National Academy of Sciences dat uniform geladen macromoleculen - of moleculen, zoals eiwitten of DNA, die een groot aantal atomen bevatten, allemaal met dezelfde elektrische lading - zichzelf kunnen assembleren tot zeer grote structuren. Deze bevinding zet ons begrip van hoe sommige van de basisstructuren van het leven zijn gebouwd, op zijn kop.

Traditioneel hebben wetenschappers begrepen dat geladen polymeerketens zijn samengesteld uit kleinere, uniform geladen eenheden. Dergelijke ketens, polyelektrolyten genaamd, vertonen voorspelbaar gedrag van zelforganisatie in water:ze zullen elkaar afstoten omdat vergelijkbaar geladen objecten niet graag dicht bij elkaar staan. Als je zout toevoegt aan water dat polyelektrolyten bevat, spoelen de moleculen op, omdat de elektrische afstoting van de ketens wordt afgeschermd door het zout.

"Het spel is echter heel anders als je dipolen hebt", zegt Murugappan Muthukumar, de Wilmer D. Barrett Professor in Polymer Science and Engineering aan UMass Amherst, de senior auteur van het onderzoek.

Terwijl veel moleculen een positieve of negatieve lading hebben, hebben dipolen beide. Dit betekent dat polymeren die zijn samengesteld uit dipolen zich heel anders gedragen dan de meer bekende polyelektrolyten, die een positieve of negatieve elektrische lading hebben:ze zetten uit in een zoute oplossing en kunnen verknopingen vormen met andere dipoolpolymeerketens, wat vervolgens leidt tot de vorming van van complexe polymeerstructuren.

Di Jia, die dit onderzoek voltooide als onderdeel van haar postdoctorale opleiding aan UMass Amherst en de hoofdauteur van het onderzoek is, zegt dat "dipolen ervoor kunnen zorgen dat polyelektrolyten zich meer gedragen als polyzwitterions, die een 'anti-polyelektrolyt-effect' vertonen. Dit effect is ook een kenmerk van de traditionele chemische polyzwitterionen, waarvan de dipolen zijn gemaakt van chemische bindingen.Daarom neemt voor fysische polyzwitterion[s] in verdunde oplossingen de polymeergrootte toe met toenemende ionsterkte, wat een overgang van bol naar spoel vertoont als gevolg van naar de intra-keten dipoolinteracties."

Dipolaire polymeren zijn in staat om complexe, zelfregulerende structuren te vormen die in alles kunnen worden gebruikt, van medicijnafgiftesystemen tot polymeren van de volgende generatie. "We theoretiseren dat deze dipolaire krachten in geladen macromoleculen een belangrijke rol spelen in bijna alle biologische assemblageprocessen, zoals de spontane geboorte van membraanloze organellen", zegt Muthukumar.

Bovendien vertonen deze uit dipool samengestelde polymeren een "tussen"-toestand, "mesomorfisme" genoemd. In de mesomorfe toestand zijn de polymeren niet wijd verspreid of strak opgerold, maar samengevoegd tot grote, stabiele, uniforme structuren die het vermogen hebben om zichzelf te 'vergiftigen' of op te lossen.

"Het belang van de ontdekking dat dipolen de assemblage van polymeren aandrijven is immens", zegt Muthukumar, "omdat het een nieuw licht werpt op een van de fundamentele mysteries van de levensprocessen", of hoe biologische materialen zichzelf kunnen assembleren tot coherente, stabiele constructies. "De theorie verandert het paradigma van hoe we over deze systemen denken en benadrukt de niet-erkende rol die dipolen spelen in de zelfassemblage van biologische materialen." + Verder verkennen

Assembleren van materialen met behulp van geladen polymeren