(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben polymeren overgehaald om zichzelf te vlechten tot piekerige touwen op nanoschaal die de structurele complexiteit van biologische materialen benaderen.

Hun werk is de nieuwste ontwikkeling in de poging om zelfassemblerende materialen op nanoschaal te ontwikkelen die de complexiteit en functionaliteit van het handwerk van de natuur nabootsen, maar die robuust genoeg zijn om zware omstandigheden zoals hitte en droogte te weerstaan.

Hoewel nog in de ontwikkelingsfase, hun onderzoek kan leiden tot nieuwe toepassingen die het beste van twee werelden combineren. Misschien zullen ze worden gebruikt als steigers om de constructie van draden op nanoschaal en andere structuren te begeleiden. Of misschien zullen ze worden gebruikt om voertuigen voor medicijnafgifte te ontwikkelen die zich richten op ziekten op moleculaire schaal, of om moleculaire sensoren en zeefachtige apparaten te ontwikkelen die moleculen van elkaar scheiden.

specifiek, de wetenschappers creëerden de voorwaarden voor synthetische polymeren genaamd polypeptoïden om zichzelf te assembleren tot steeds ingewikkelder structuren:eerst in platen, dan in stapels vellen, die op hun beurt oprollen tot dubbele helices die lijken op een touw van slechts 600 nanometer in diameter (een nanometer is een miljardste van een meter).

“Deze hiërarchische zelfassemblage is het kenmerk van biologische materialen zoals collageen, maar het ontwerpen van synthetische structuren die dit doen was een grote uitdaging, ", zegt Ron Zuckermann, die de Facility Director is van de Biological Nanostructures Facility in de Molecular Foundry van Berkeley Lab.

In aanvulling, in tegenstelling tot normale polymeren, de wetenschappers kunnen de atoom-voor-atoom-opmaak van de touwachtige structuren controleren. Ze kunnen ook helices van specifieke lengtes en sequenties ontwerpen. Deze "afstembaarheid" opent de deur voor de ontwikkeling van synthetische structuren die het vermogen van biologische materialen nabootsen om ongelooflijke prestaties van precisie uit te voeren, zoals homing in op specifieke moleculen.

“De natuur gebruikt exacte lengte en volgorde om zeer functionele structuren te ontwikkelen. Een antilichaam kan de ene vorm van een eiwit herkennen boven de andere, en we proberen dit na te bootsen, ', voegt Zuckermann eraan toe.

Zuckermann en collega's voerden het onderzoek uit bij The Molecular Foundry, dat is een van de vijf belangrijkste nationale gebruikersfaciliteiten van het DOE Nanoscale Science Research Centre voor interdisciplinair onderzoek op nanoschaal. Bij hem waren mede Berkeley Lab-wetenschappers Hannah Murnen, Adrianne Rosales, Jonathan Jaworski, en Rachel Segalman. Hun onderzoek werd gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De wetenschappers werkten met ketens van bio-geïnspireerde polymeren, peptoïden genaamd. Peptoïden zijn structuren die peptiden nabootsen, die de natuur gebruikt om eiwitten te vormen, de werkpaarden van de biologie. In plaats van peptiden te gebruiken om eiwitten te bouwen, echter, de wetenschappers streven ernaar om peptoïden te gebruiken om synthetische structuren te bouwen die zich als eiwitten gedragen.

Het team begon met een blokcopolymeer, dat is een polymeer dat is samengesteld uit twee of meer verschillende monomeren.

“Eenvoudige blokcopolymeren assembleren zichzelf tot structuren op nanoschaal, maar we wilden zien hoe de gedetailleerde volgorde en functionaliteit van bio-geïnspireerde eenheden kunnen worden gebruikt om meer gecompliceerde structuren te maken, " zegt Rachel Segalman, een faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en hoogleraar Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Met dit in gedachten, de peptoïde stukjes werden gerobotiseerd gesynthetiseerd, verwerkt, en vervolgens toegevoegd aan een oplossing die zelfassemblage bevordert.

Het resultaat was een verscheidenheid aan zelfgemaakte vormen en structuren, waarbij de gevlochten helices het meest intrigerend zijn. De hiërarchische structuur van de helix, en het vermogen om atoom voor atoom te manipuleren, betekent dat het kan worden gebruikt als een sjabloon voor het mineraliseren van complexe structuren op nanometerschaal.

"Het idee is om structureel complexe structuren op nanometerschaal te assembleren met minimale input, ', zegt Hannah Murnen. Ze voegt eraan toe dat de volgende hoop van de wetenschappers is te profiteren van het feit dat ze minutieuze controle hebben over de volgorde van de structuur, en ontdek hoe zeer kleine chemische veranderingen de spiraalvormige structuur veranderen.

Zegt Zuckermann, “Deze gevlochten helices zijn een van de eerste pogingen om atomair gedefinieerde blokcopolymeren te maken. Het idee is om iets te nemen dat we normaal als plastic beschouwen, en haar in staat te stellen structuren aan te nemen die complexer zijn en in staat zijn tot hogere functies, zoals moleculaire herkenning, dat is wat eiwitten echt goed doen.”

Röntgendiffractie-experimenten die werden gebruikt om de structuren te karakteriseren, werden uitgevoerd bij bundellijnen 8.3.1 en 7.3.3 van Berkeley Lab's Advanced Light Source, een nationale gebruikersfaciliteit die intense röntgenstralen genereert om de fundamentele eigenschappen van stoffen te onderzoeken. Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het Office of Naval Research.