Los investigadores que esperan diseñar nuevos materiales para usos energéticos han desarrollado un sistema para fabricar polímeros sintéticos, algunos dirían plásticos, con la versatilidad de los polímeros propios de la naturaleza, las proteínas ubicuas. Basado en un químico industrial económico, estos polímeros sintéticos podríanalgún día se utilizará para crear materiales con funciones tan ilimitadas como las proteínas, que participan en todas las facetas de la vida.
Reportando en Edición internacional Angewandte Chemie 14 de marzo, los investigadores revelan un método para producir polímeros que imitan las proteínas en la versatilidad de sus ingredientes crudos y cómo esos ingredientes se unen para formar una estructura más grande.
"Las proteínas son polímeros de secuencia definida y tienen una gran variedad de funciones exquisitas", dijo el científico de materiales Jay Grate del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "Pero los materiales naturales son inestables. Eso es bueno para la naturaleza, pero si queremosmateriales estables y duraderos, necesitamos hacer nuestros propios polímeros definidos por secuencias "
Cosas de la vida
Las proteínas son el núcleo de la vida: en los seres vivos, son arquitectos e ingenieros. Son las llaves y las máquinas que construyen las diversas partes de un organismo, construyendo esas partes a partir de otras proteínas de muchos tamaños y formas. Forman el poderplantas en células, corren las plantas, producen energía y almacenan energía. Hacen que las cosas crezcan, y también son los ladrillos del crecimiento.
Debido a su versatilidad, las proteínas son algunas de las herramientas favoritas de los investigadores. Muchas drogas son proteínas rediseñadas como los anticuerpos convertidos por ejemplo, drogas cuyos nombres terminan en -mab. Sin embargo, el problema es que las proteínas tambiénde corta duración. La naturaleza los diseñó para ser temporales y reciclables. Cualquier entorno en el que se encuentren las proteínas está lleno de cosas, a menudo otras proteínas, que las descomponen.
Una forma de sortear estos carniceros es diseñar un material que se comporte como proteínas pero que en realidad no sea proteína. Con ese fin, los investigadores están buscando materiales que imiten los componentes básicos de las proteínas: los aminoácidos. Los aminoácidos otorgan a las proteínas sustremenda variedad y versatilidad.
Esas cualidades son lo que los investigadores de proteínas plásticas están tratando de emular. Los aminoácidos vienen en aproximadamente 20 variaciones. Cada uno tiene la misma columna vertebral, de la que sobresale un grupo de átomos llamado cadena lateral que le da al aminoácido su característica química particular.Las cadenas principales de aminoácidos se unen como cuentas en una cuerda, las cadenas laterales están dispuestas en un orden particular para cada proteína.
Pero las proteínas no son collares de perlas flexibles. Las cuentas se pliegan sobre sí mismas para formar objetos estructurados. Algunas proteínas terminan pareciendo bolas, algunas como Y mayúsculas, otras como coronas de olivo.
Estas formas se producen porque las cadenas laterales y la estructura de la proteína se adhieren a otras cadenas laterales y regiones de la estructura como las Post-Its se adhieren entre sí. El plegado y la adherencia son muy específicos, como el origami, lo que resulta en una estructura particular en lugar delío enredado
tres
Grate necesitaba tres cosas para imitar las proteínas: componentes crudos con una columna vertebral que puede soportar una gran variedad de cadenas laterales; la capacidad de poner las cadenas laterales en un orden particular; la adherencia, a la que los químicos se refieren como enlaces no covalentes.
Había estado trabajando con una sustancia química industrial llamada cloruro cianúrico para fines no relacionados, pero su comprensión de sus propiedades químicas le hizo pensar que podría ser un buen punto de partida. El cloruro cianúrico es una molécula que tiene tres lugares convenientes donde podría extenderse.Dos de ellos pueden unirse, como dos personas tomados de la mano, para formar la columna vertebral. El tercero puede alojar una cadena lateral. Todos juntos, Grate llamó a la molécula resultante un polímero a base de triazina, o TZP para abreviar.
Aunque dicho polímero sería inmune a las entidades destructoras de proteínas, Grate espera que otras cosas en el medio ambiente, como las bacterias, lo descompongan, según la naturaleza química de TZP. Por lo tanto, el material duraría, pero no para siempre.
Idea en mano, el químico de Grate y PNNL Kai-For Mo tuvo que desarrollar una forma de sintetizar TZP. Hicieron una variedad de monómeros al agregar diferentes cadenas laterales al cloruro cianúrico, con cada monómero un solo bloque de construcción análogo a un aminoácidoPara este estudio, crearon cinco cadenas laterales diferentes. Luego descubrieron que podían agregar un monómero a la vez de manera relativamente simple cambiando la temperatura a la que realizaban las reacciones químicas, entre otros trucos de síntesis.
Después de sintetizar polímeros de seis monómeros de largo, llamados 6 meros en lenguaje de polímeros, los investigadores verificaron sus creaciones. Utilizaron instrumentos analíticos para mostrar que los polímeros tenían el tamaño correcto, tenían las cadenas laterales correctas y las cadenas laterales estaban enel orden correcto. También sintetizaron un 12-mer para mostrar que este método funciona con polímeros más largos.
Para ver si las TZP se doblarían de manera análoga a las proteínas, el científico informático PNNL Michael Daily simuló pequeñas TZP, individualmente e interactuando entre sí.de ancho, como una horquilla. Del mismo modo, dos 3 mers alineados uno junto al otro, parcialmente entrelazados como una cremallera.
La adherencia que mantenía a estos "nanorods" juntos eran enlaces no covalentes entre los átomos de la columna vertebral, los mismos tipos de enlaces que la naturaleza usa para que las proteínas tomen sus formas apropiadas. Y al igual que las estructuras de proteínas, las cadenas laterales TZP se organizaron en posiciones específicas alrededorexterior de las varillas formadas por las interacciones columna vertebral-columna vertebral.
El siguiente paso es crear una biblioteca más grande de cadenas laterales, cuyo recuento es diez hasta ahora. Luego, deben hacer polímeros más largos y demostrar que realmente toman formas útiles. Una vez que los investigadores entiendan las reglas sobre cómo ser específicosformas con TZP que también se ensamblan en estructuras más grandes, pueden diseñar materiales con las funciones deseadas, por ejemplo, una membrana para una batería, un catalizador para una pila de combustible o incluso un medicamento terapéutico.
Este trabajo fue apoyado por PNNL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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