Eiwitachtige moleculen genaamd "polypeptoïden" (of "peptoïden, " in het kort) hebben grote beloften als precisiebouwstenen voor het maken van een verscheidenheid aan designer-nanomaterialen, zoals flexibele nanosheets - ultradun, 2D-materialen op atomaire schaal. Ze zouden een aantal toepassingen kunnen bevorderen, zoals synthetische, ziektespecifieke antilichamen en zelfherstellende membranen of weefsel - tegen lage kosten.

Om te begrijpen hoe deze toepassingen werkelijkheid kunnen worden, echter, wetenschappers hebben een manier nodig om in te zoomen op de atomaire structuur van een peptoïde. Op het gebied van materiaalkunde, onderzoekers gebruiken meestal elektronenmicroscopen om atomaire resolutie te bereiken, maar zachte materialen zoals peptoïden zouden desintegreren onder de harde schittering van een elektronenstraal.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een techniek aangepast die de kracht van elektronen gebruikt om de atomaire structuur van een zacht materiaal te visualiseren terwijl het intact blijft.

hun studie, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , demonstreert voor het eerst hoe cryo-EM (cryogene elektronenmicroscopie), een Nobelprijswinnende techniek die oorspronkelijk is ontworpen om eiwitten in oplossing af te beelden, kan worden gebruikt om atomaire veranderingen in een synthetisch zacht materiaal af te beelden. Hun bevindingen hebben implicaties voor de synthese van 2D-materialen voor een breed scala aan toepassingen.

"Alle materialen die we aanraken, functioneren vanwege de manier waarop atomen in het materiaal zijn gerangschikt. Maar we hebben die kennis niet voor peptoïden omdat, in tegenstelling tot eiwitten, de atomaire structuur van veel zachte synthetische materialen is rommelig en moeilijk te voorspellen, " zei Nitash Balsara, een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en hoogleraar chemische technologie aan UC Berkeley, die de studie mede leidde. "En als je niet weet waar de atomen zijn, je vliegt blind. Ons gebruik van cryo-EM voor de beeldvorming van peptoïden zal een duidelijk pad banen voor het ontwerp en de synthese van zachte materialen op atomaire schaal."

Hard kijken naar zachte materialen

De laatste 13 jaar, Balsara heeft een poging geleid om zachte materialen op atomaire schaal af te beelden via het Soft Matter Electron Microscopy Program van Berkeley Lab. Voor het huidige onderzoek hij bundelde zijn krachten met Ronald Zuckermann, een senior wetenschapper in de Molecular Foundry van Berkeley Lab die bijna 30 jaar geleden voor het eerst peptoïden ontdekte in zijn zoektocht naar nieuwe polymeren - materialen gemaakt van lang, herhalende ketens van kleine moleculaire eenheden die 'monomeren' worden genoemd - voor gerichte medicamenteuze therapieën.

"Deze studie is het resultaat van vele jaren onderzoek hier in Berkeley Lab. Een materiaal maken en de atomen zien - het is de droom van mijn carrière, " zei Zuckermann, die samen met Balsara de studie leidde.

In tegenstelling tot de meeste synthetische polymeren, peptoïden kunnen worden gemaakt om een ​​precieze volgorde van monomeereenheden te hebben, een gemeenschappelijk kenmerk in biologische polymeren, zoals eiwitten en DNA.

En net als natuurlijke eiwitten, peptoïden kunnen groeien of zichzelf assembleren tot verschillende vormen voor specifieke functies, zoals helices, vezels, nanobuisjes, of dunne en platte nanosheets.

Maar in tegenstelling tot eiwitten, de moleculaire structuur van peptoïden is typisch amorf en onvoorspelbaar, zoals een stapel natte noedels. En het ontwarren van zo'n onvoorspelbare structuur is lange tijd een obstakel geweest voor materiaalwetenschappers.

Peptoïden vastzetten met cryo-EM

Dus de onderzoekers wendden zich tot cryo-EM, die de peptoïden flitsbevriest bij een temperatuur van ongeveer 80 kelvin (of min 316 graden Fahrenheit) in microseconden. De ultrakoude temperatuur van cryo-EM vergrendelt de structuur van het vel en voorkomt ook dat de elektronen het monster vernietigen.

Om zachte materialen te beschermen, cryo-EM gebruikt minder elektronen dan conventionele elektronenmicroscopie, resulterend in spookachtige zwart-witbeelden. Om beter te documenteren wat er op atomair niveau gebeurt, honderden van deze foto's zijn gemaakt. Geavanceerde wiskundige hulpmiddelen combineren deze afbeeldingen om meer gedetailleerde afbeeldingen op atomaire schaal te maken.

Voor de studie, de onderzoekers vervaardigden nanosheets in oplossing van korte peptoïde polymeren gemaakt van een keten van zes hydrofobe monomeren die bekend staan ​​als "aromaten, " verbonden met vier hydrofiele polyethermonomeren. De hydrofiele of "waterminnende" monomeren worden aangetrokken door het water in de oplossing, terwijl de hydrofobe of "waterhatende" monomeren het water vermijden, oriënteren van de moleculen om kristallijne nanobladen te vormen die slechts één molecuul dik zijn (ongeveer 3 nanometer, of 3 miljardsten van een meter).

Hoofdauteur Sunting Xuan, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Materiaalwetenschappen, synthetiseerde de peptoïde nanosheets en gebruikte röntgenverstrooiingstechnieken bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) om hun moleculaire structuur te karakteriseren. De ALS produceert licht in verschillende golflengten om studies van de nanoschaalstructuur en chemie van monsters mogelijk te maken, onder andere eigenschappen.

Xi Jiang, een projectwetenschapper bij de afdeling Materials Sciences, legde de hoogwaardige afbeeldingen vast en ontwikkelde de algoritmen die nodig zijn om atomaire resolutie in de peptoïde beeldvorming te bereiken.

David Prendergast, senior stafwetenschapper en interim-directeur van de Molecular Foundry, gemodelleerde atomaire substituties in de peptoïden, en Nan Li, een postdoctoraal onderzoeker bij de Molecular Foundry, voerde moleculaire dynamische simulaties uit om een ​​atomair schaalmodel van de nanosheet te maken.

De kern van de ontdekking van het team was hun vermogen om snel te wisselen tussen materiaalsynthese en atomaire beeldvorming. De precisie van peptoïde synthese, gekoppeld aan het vermogen van de onderzoekers om de plaatsing van atomen direct in beeld te brengen met behulp van cryo-EM, stelde hen in staat om de peptoïde op atomair niveau te ontwikkelen. Tot hun verbazing, toen ze verschillende nieuwe variaties van de peptoïde monomeersequentie creëerden, de atomaire structuur van de nanosheet veranderde op een zeer ordelijke manier.

Bijvoorbeeld, wanneer een extra broomatoom aan elke aromatische ring werd toegevoegd, de vorm van elk peptoïde molecuul bleef onveranderd, maar de ruimte tussen de rijen nam net genoeg toe om de extra broomatomen op te vangen.

Verder, toen vier extra varianten van de peptoïde nanosheetstructuur werden afgebeeld, merkten de onderzoekers een opmerkelijke uniformiteit over hun atomaire structuur, en dat de nanosheets dezelfde vorm van peptoïde moleculen hadden. Hierdoor konden ze voorspelbaar de nanosheetstructuur ontwerpen, aldus Zuckermann.

"Om zoveel controle op atomaire schaal in zachte materialen te hebben, was volkomen onverwacht, " zei Balsara, omdat werd aangenomen dat alleen eiwitten gedefinieerde vormen kunnen vormen als je een specifieke reeks monomeren hebt - in hun geval aminozuren.

Een teambenadering van nieuwe materialen

Bijna vier decennia lang Berkeley Lab heeft de grenzen van elektronenmicroscopie verlegd naar wetenschapsgebieden die ooit als onmogelijk werden beschouwd om met een elektronenstraal te verkennen. Baanbrekend werk van wetenschappers van Berkeley Lab speelde ook een sleutelrol bij de Nobelprijs voor scheikunde 2017, die de ontwikkeling van cryo-EM eerde.

"De meeste mensen zouden zeggen dat het niet mogelijk is om een ​​techniek te ontwikkelen die individuele atomen in een zacht materiaal kan positioneren en zien, " zei Balsara. "De enige manier om moeilijke problemen als deze op te lossen, is door samen te werken met experts uit verschillende wetenschappelijke disciplines. Bij Berkeley Lab, we werken als een team."

Zuckermann voegde toe dat de huidige studie aantoont dat de cryo-EM-techniek kan worden toegepast op een breed scala van gewone polymeren en andere industriële zachte materialen, en zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse van zachte nanomaterialen die zich vouwen tot eiwitachtige structuren met eiwitachtige functies.

"Dit werk vormt het toneel voor materiaalwetenschappers om de uitdaging aan te gaan om kunstmatige eiwitten te realiseren, " hij zei, eraan toevoegend dat hun onderzoek het team ook positioneert om te werken aan het oplossen van een verscheidenheid aan opwindende problemen, en om "mensen bewust te maken dat ze, te, kunnen beginnen te kijken naar de atomaire structuur van hun zachte materialen met behulp van deze cryo-EM-technieken."