Geïnspireerd door het menselijk immuunsysteem, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een nieuw materiaal gemaakt dat kan worden geprogrammeerd om een ​​eindeloze verscheidenheid aan moleculen te identificeren. Het nieuwe materiaal lijkt op kleine velcrovellen, elk slechts honderd nanometer breed. Maar in plaats van je sneakers vast te zetten, dit moleculaire klittenband bootst de manier na waarop natuurlijke antilichamen virussen en toxines herkennen, en zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse van biosensoren.

"Antilichamen hebben een echt effectief architectonisch ontwerp:een structurele steiger die vrijwel hetzelfde blijft, of het nu gaat om slangengif of verkoudheid, en eindeloos variabele functionele lussen die buitenlandse indringers binden, " zegt Ron Zuckermann, een senior wetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry. "Dat hebben we hier nagebootst, met een tweedimensionale nanosheet-steiger bedekt met kleine functionele lussen zoals klittenband."

Zuckermann, Directeur van de Biological Nanostructures Facility van de Molecular Foundry, is corresponderende auteur op een paper die deze resultaten rapporteert in ACS Nano , getiteld "Antibody-Mimetic Peptoid Nanosheets for Molecular Recognition." Co-auteur van het artikel zijn Gloria K. Olivier, Andrew Cho, Babak Sanii, Michael D. Connolly, en Helen Tran.

Zuckermann's nanosheet-steigers zijn zelf samengesteld uit peptoïden - synthetisch, bio-geïnspireerde polymeren die in staat zijn om te vouwen tot eiwitachtige architecturen. Als kralen aan een touwtje, elk peptoïde molecuul is een lange keten van kleine moleculaire eenheden die in een specifiek patroon zijn gerangschikt. In eerder werk, Zuckermann liet zien hoe bepaalde eenvoudige peptoïden zichzelf kunnen vouwen tot nanoplaten van slechts enkele nanometers dik, maar tot honderd micrometer breed - afmetingen gelijk aan een één millimeter dik plastic vel ter grootte van een voetbalveld.

"De reden dat nanosheets worden gevormd, is omdat er een code voor rechtstreeks in de peptoïden is geprogrammeerd, " zegt Zuckermann. "In dit geval is het weliswaar een vrij rudimentair programma, maar het laat zien hoe als je een klein beetje sequentie-informatie binnenbrengt:Boom! Je kunt een nanoblad maken."

Om functionele lussen op de nanosheets te maken, de onderzoekers voegen korte moleculaire segmenten toe aan nanobladvormende peptoïde polymeren. Terwijl de peptoïden zich tot vellen aan elkaar breien, de ingevoegde segmenten zijn uitgesloten van de vouw, in plaats daarvan in lussen op het oppervlak van de nanosheet geduwd. De functionele lussen kunnen worden geprogrammeerd om selectief bepaalde enzymen of anorganische materialen te binden, wat het nieuwe materiaal veelbelovend maakt voor chemische detectie en katalyse.

"Het voordeel hier is dat we deze materialen met een zeer hoge opbrengst kunnen maken, " zegt Gloria Olivier, een postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van het papier. "We lenen dit idee van het aan elkaar rijgen van een bepaalde reeks monomeren, die de natuur gebruikt om 3D-eiwitstructuren te bouwen, en toepassen op de wereld van niet-natuurlijke materialen, om een ​​echt bruikbaar materiaal te maken dat zichzelf kan assembleren."

De onderzoekers demonstreerden de flexibiliteit van hun methode door nanosheets te maken met lussen van verschillende samenstelling, lengte, en dichtheid; ze maakten nanosheets die specifieke enzymen uit een oplossing kunnen halen, chemische veranderingen veroorzaken die kunnen worden gedetecteerd met standaardtechnieken, en andere die selectief binden aan goudmetaal, het zaaien van de groei van gouden nanodeeltjes en films.

"Peptoïden zijn bestand tegen veel zwaardere omstandigheden dan peptiden, hun tegenhanger in de natuur, " zegt Olivier. "Dus als je een diagnostisch apparaat wilt bouwen dat buiten een laboratorium kan worden genomen, of een apparaat dat kan screenen op biomarkers in aanwezigheid van een mengsel van eiwitten zoals proteasen, peptoïden zijn een uitstekende keuze."

Verder kijken dan de spannende toepassingen, Zuckermann wijst erop dat dit werk een belangrijke stap is in de richting van uitbreiding van de regels voor het vouwen van eiwitten naar de wereld van synthetische materialen.

Zegt Zuckermann, "Dat is ongeveer waar mijn hele onderzoeksprogramma hier over gaat:leren van de rijkdom aan chemische sequentie-informatie die in de biologie wordt gevonden om nieuwe soorten geavanceerde synthetische materialen te creëren. We beginnen eigenlijk pas aan de oppervlakte te komen."