(PhysOrg.com) -- Experimenten kunnen soms leiden tot de ontdekking van volledig onverwachte verschijnselen. Dat is het geval met het opmerkelijke gedrag van peptide-nanostructuren (in de vorm van supramoleculaire filamenten) waargenomen tijdens experimenten uitgevoerd door onderzoekers van de Northwestern University op beamline 5-ID van het DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) Synchrotron Research Center bij de Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy in het Argonne National Laboratory.

Volgens professor Samuel Stupp, hoofdauteur van de studie die onlangs is gepubliceerd in Wetenschap , terwijl hij "probeerde de hiërarchische organisatie van peptide-nanostructuren op te helderen", ontdekte zijn team dat wanneer gedispergeerd in water, die draadvormige nanostructuren zouden zich kunnen organiseren in zeshoekige bundels. De onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat bij voldoende hoge concentraties in oplossing, de filamenten konden zich spontaan assembleren tot kristallijne structuren (de hexagonaal gepakte bundels). Nog verrassender was de bevinding dat de röntgenstralen die werden gebruikt om de nanostructuren te onderzoeken soms ook filamentkristallisatie veroorzaakten. Dit werk kan van invloed zijn op ons begrip van nanostructuren in biologische systemen en ons vermogen om de structuur van materialen te beheersen.

De filamenten die voor dit onderzoek werden gebruikt, hadden diameters van ongeveer 10 nanometer en lengtes in de orde van tientallen micrometers. De filamenten waren afgeleid van een synthetisch molecuul dat een korte peptidesequentie bevat. Peptiden zijn verbindingen die twee of meer aminozuren bevatten. Hier, de peptidesequentie bestond uit zes alanine-aminozuurmoleculen gebonden aan drie glutaminezuurmoleculen - afgekort Ala ₆ Glu ₃ - die op zijn beurt werd geënt op een alkylmolecuul. De resulterende "supramoleculen" assembleerden zichzelf in water om de filamenten te vormen.

Een reeks experimenten werd ontworpen om de rangschikking van de filamenten gedispergeerd in water te onthullen. Verschillende waterige concentraties van de filamenten werden in kleine kwartscapillairen met een diameter van 2 mm geplaatst en bestudeerd met behulp van kleine hoek röntgenverstrooiing (SAXS) bij de DND-CAT-bundellijn. De concentraties varieerden van 0,5 tot 5 gew.%. De SAXS-gegevens onthulden dat alle concentraties filamenten aggregeerden tot bundels met een hexagonale pakking (zie figuur 1). De organisatie van de filamenten in hexagonaal gepakte bundels (d.w.z. kristallisatie) is vrij opmerkelijk. Maar nog opmerkelijker was de waarneming dat de hogere concentratie filamenten (2 en 5 gew.%) spontaan kristalliseerde, terwijl de oplossingen met een lagere concentratie (0,5 en 1 gew.%) alleen door röntgenbelichting kristalliseerden.

Volgens prof. Stupp, de kristallisatie van de filamenten, hetzij door zelfmontage of door röntgenbelichting, vormen fenomenen die "we niet eerder hebben gezien" in andere supramoleculaire systemen. Stupp merkte ook op dat “bij het doen van de experimenten bij de APS-synchrotron, we waren verrast toen we ontdekten dat röntgenstraling de kristallisatie kon bevorderen."

Een fascinerend kenmerk van de door röntgenstraling geïnduceerde kristallisatie was de omkeerbaarheid van het proces, die echt zichtbaar was. Met behulp van de 1 gewichtsprocent oplossing, een cumulatieve 200 seconden röntgenbestraling maakte de aanvankelijk transparante oplossing ondoorzichtig, wijst op kristallisatie. Na het staken van de röntgenfoto, de opaciteit van de oplossing nam langzaam af totdat deze binnen ongeveer 40 minuten weer helder was, wijst op een terugkeer naar wanorde. Een vervolgexperiment van SAXS stelde de oplossing bloot aan een aantal röntgenuitbarstingen van 4 seconden. De experimentele gegevens toonden aan dat de aanvankelijk ongeordende filamenten (geopenbaard door de eerste blootstelling van 4 seconden) geleidelijk een verandering ondergingen in hexagonaal geordende bundels filamenten zoals vastgelegd tijdens de laatste röntgenopnamen. Toen het experiment twee uur later werd herhaald, de SAXS-gegevens onthulden dat de filamenten opnieuw ongeordend waren - de kristallijne structuur was verdwenen.

De onderzoekers hebben overwogen of externe factoren mogelijk hebben bijgedragen aan het bestellen van filamenten. Intense röntgenstralen kunnen door ionisatie nieuwe chemische verbindingen in een oplossing creëren, evenals subtiele verwarming produceren. Echter, latere tests van de draadvormige oplossingen toonden aan dat noch ongewenste chemische soorten, noch thermische effecten, een rol had gespeeld in de spontane of door röntgenstraling veroorzaakte kristallisaties.

Wat betreft het basismechanisme dat verantwoordelijk is voor kristallisatie, de onderzoekers stellen zich voor dat de stabiliteit van de kristallijne domeinen op lange termijn een balans is tussen twee tegengestelde spanningen:elektrische ladingen die op de filamenten aanwezig zijn (native of geïnduceerd door röntgenstraling) hebben de neiging om filamentaire bundels uit elkaar te duwen, terwijl insluiting van filamenten in het grotere netwerk leidt tot een naar binnen gerichte mechanische compressie.

Experimentele gegevens lieten zien dat naarmate de filamentconcentratie toenam, het aantal filamenten binnen bundels nam ook toe, totdat een kritische concentratie van filamenten resulteerde in hun spontane hexagonale rangschikking binnen de bundels (d.w.z. kristallisatie). Anderzijds, lagere filamentaire concentraties - niet in staat om spontaan te kristalliseren - konden dit alleen doen wanneer röntgenstralen de ladingsdichtheid op de oppervlakken van de filamenten verhoogden, waardoor de balans van krachten tussen de filamenten verandert in het voordeel van kristallisatie.

Hetzelfde mechanisme dat hun door de mens gemaakte kristallijne draadnetwerken heeft gecreëerd, is mogelijk aan het werk in biologische cellen, waardoor Prof. Stupp opmerkte dat "dit onderzoek ons ​​zou kunnen helpen de organisatie van nanostructuren in biologische systemen te begrijpen, en kan ook toepassingen hebben bij het beheersen van de structuur van materialen.”