Wetenschappers streven ernaar nanostructuren te bouwen die de complexiteit en functie van de eiwitten van de natuur nabootsen, maar zijn gemaakt van duurzame en synthetische materialen. Deze microscopisch kleine widgets kunnen worden aangepast tot ongelooflijk gevoelige chemische detectoren of duurzame katalysatoren, om een ​​paar mogelijke toepassingen te noemen.

Maar zoals bij elk vaartuig dat extreme precisie vereist, onderzoekers moeten eerst leren hoe ze de materialen kunnen verfijnen die ze zullen gebruiken om deze structuren te bouwen. Een ontdekking door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), en meldde op 7 oktober in de voorafgaande online publicatie van het tijdschrift Natuur , is een grote stap in deze richting.

De wetenschappers ontdekten een ontwerpregel die het mogelijk maakt om een ​​recent gemaakt materiaal te laten bestaan. Het materiaal is een peptoïde nanosheet. Het is een platte structuur van slechts twee moleculen dik, en het is samengesteld uit peptoïden, die synthetische polymeren zijn die nauw verwant zijn aan eiwitvormende peptiden.

De ontwerpregel bepaalt de manier waarop polymeren aan elkaar grenzen om de ruggengraat te vormen die over de lengte van nanosheets loopt. Verrassend genoeg, deze moleculen verbinden zich met elkaar in een tegengesteld draaiend patroon dat in de natuur niet wordt gezien. Dit patroon zorgt ervoor dat de ruggengraat lineair en niet getwist blijft, een eigenschap die peptoïde nanosheets groter en platter maakt dan welke biologische structuur dan ook.

De wetenschappers van Berkeley Lab zeggen dat deze nooit eerder vertoonde ontwerpregel kan worden gebruikt om complexe nanobladstructuren en andere peptoïde-assemblages zoals nanobuisjes en kristallijne vaste stoffen samen te voegen.

Bovendien, ze ontdekten het door computersimulaties te combineren met röntgenverstrooiing en beeldvormingsmethoden om te bepalen, Voor de eerste keer, de atomaire resolutiestructuur van peptoïde nanosheets.

"Dit onderzoek suggereert nieuwe manieren om biomimetische structuren te ontwerpen, " zegt Steve Whitelam, een co-corresponderende auteur van de Nature paper. "We kunnen gaan nadenken over het gebruik van andere ontwerpprincipes dan de natuur biedt."

Whitelam is een stafwetenschapper in de Theory Facility van de Molecular Foundry, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab. Hij leidde het onderzoek met co-corresponderende auteur Ranjan Mannige, een postdoctoraal onderzoeker bij de Molecular Foundry; en Ron Zuckermann, die de Biological Nanostructures Facility van de Molecular Foundry leidt. Ze gebruikten de krachtige computerbronnen van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een andere DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab.

Peptoïde nanosheets werden vijf jaar geleden ontdekt door de groep van Zuckermann. Ze ontdekten dat onder de juiste omstandigheden, peptoïden assembleren zichzelf tot tweedimensionale assemblages die honderden microns groot kunnen worden. Dit "moleculaire papier" is een populair vooruitzicht geworden als een eiwit-nabootsend platform voor moleculair ontwerp.

Voor meer informatie over dit potentiële bouwmateriaal, de wetenschappers gingen op zoek naar de structuur van de atoomresolutie. Hierbij ging het om feedback tussen experiment en theorie. Microscopie- en verstrooiingsgegevens verzameld bij de Molecular Foundry en de Advanced Light Source, ook een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab, werden vergeleken met moleculaire dynamica-simulaties uitgevoerd bij NERSC.

Het onderzoek bracht verschillende nieuwe dingen aan het licht over peptoïde nanosheets. Hun moleculaire samenstelling varieert doorheen hun structuur, ze kunnen alleen worden gevormd uit peptoïden van een bepaalde minimale lengte, ze bevatten waterzakken, en ze zijn potentieel poreus als het gaat om water en ionen.

Deze inzichten zijn op zichzelf al intrigerend, maar toen de wetenschappers de structuur van de ruggengraat van de nanosheets onderzochten, ze waren verrast om een ​​ontwerpregel te zien die niet wordt gevonden op het gebied van structurele biologie van eiwitten.

Hier is het verschil:In de natuur, eiwitten zijn samengesteld uit beta-sheets en alfa-helices. Deze fundamentele bouwstenen zijn zelf samengesteld uit ruggengraat, en de polymeren waaruit deze ruggengraat bestaat, worden allemaal met elkaar verbonden volgens dezelfde regel. Elk aangrenzend polymeer roteert stapsgewijs in dezelfde richting, zodat er een twist langs de ruggengraat loopt.

Deze regel is niet van toepassing op peptoïde nanosheets. Langs hun ruggengraat, aangrenzende monomeereenheden roteren in tegengestelde richtingen. Deze contra-rotaties heffen elkaar op, resulterend in een lineaire en ongetwiste ruggengraat. Dit maakt het mogelijk om ruggengraat in twee dimensies te betegelen en uit te breiden tot grote platen die platter zijn dan alles wat de natuur kan produceren.

"Het was een grote verrassing om te ontdekken dat de ontwerpregel die peptoïde nanosheets mogelijk maakt tot nu toe het veld van de biologie is ontgaan, ", zegt Mannige. "Deze regel zou misschien kunnen worden gebruikt om nog veel meer niet-gerealiseerde constructies te bouwen."

voegt Zuckermann toe, "We verwachten ook dat er andere ontwerpprincipes wachten om ontdekt te worden, wat zou kunnen leiden tot nog meer biomimetische nanostructuren."