Los científicos aspiran a construir nanoestructuras que imitan la complejidad y la función de las proteínas de la naturaleza, pero están hechas de materiales duraderos y sintéticos. Estos widgets microscópicos podrían personalizarse en detectores químicos increíblemente sensibles o catalizadores de larga duración, por nombrar algunas aplicaciones posibles.
Pero como con cualquier embarcación que requiera una precisión extrema, los investigadores primero deben aprender cómo refinar los materiales que usarán para construir estas estructuras. Un descubrimiento realizado por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía7 de octubre en la publicación anticipada en línea de la revista Naturaleza , es un gran paso en esta dirección.
Los científicos descubrieron una regla de diseño que permite que exista un material creado recientemente. El material es una nanocapa peptoide. Es una estructura plana de solo dos moléculas de grosor, y está compuesta de peptoides, que son polímeros sintéticos estrechamente relacionados con péptidos formadores de proteínas..
La regla de diseño controla la forma en que los polímeros se unen para formar la columna vertebral que se extiende a lo largo de las nanohojas. Sorprendentemente, estas moléculas se unen en un patrón contrarrotatorio que no se ve en la naturaleza. Este patrón permite que las cadenas vertebrales permanezcan lineales y sin torcer, un rasgo que hace que las nanopartículas peptoides sean más grandes y planas que cualquier estructura biológica.
Los científicos de Berkeley Lab dicen que esta regla de diseño nunca antes vista podría usarse para reconstruir estructuras complejas de nanocapas y otros conjuntos peptoides como nanotubos y sólidos cristalinos.
Lo que es más, lo descubrieron combinando simulaciones por computadora con dispersión de rayos X y métodos de imágenes para determinar, por primera vez, la estructura de resolución atómica de las nanohojas peptoides.
"Esta investigación sugiere nuevas formas de diseñar estructuras biomiméticas", dice Steve Whitelam, co-corresponsal del artículo de Nature. "Podemos comenzar a pensar en usar principios de diseño distintos a los que ofrece la naturaleza".
Whitelam es científico del personal de Theory Facility en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en Berkeley Lab. Dirigió la investigación con el coautor correspondiente Ranjan Mannige, investigador postdoctoral en Molecular Foundry; y RonZuckermann, que dirige la Instalación de Nanoestructuras Biológicas de la Fundición Molecular, utilizó los recursos informáticos de alto rendimiento del Centro de Computación Científica de la Investigación Nacional de Energía NERSC, otra instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en Berkeley Lab.
El grupo de Zuckermann descubrió las nanohojas de peptoides hace cinco años. Descubrieron que, en las condiciones adecuadas, los peptoides se autoensamblan en ensamblajes bidimensionales que pueden crecer cientos de micras de ancho. Este "papel molecular" se ha convertido en una buena opción como proteínade imitación de plataforma para diseño molecular.
Para obtener más información sobre este potencial material de construcción, los científicos se propusieron conocer su estructura de resolución atómica. Esto implicaba la retroalimentación entre el experimento y la teoría. Microscopía y datos de dispersión reunidos en la Fundición Molecular y la Fuente de Luz Avanzada, también una Oficina del DOEde la instalación de usuarios de Science ubicada en Berkeley Lab, se compararon con simulaciones de dinámica molecular realizadas en NERSC.
La investigación reveló varias cosas nuevas sobre las nanohojas peptoides. Su composición molecular varía a lo largo de su estructura, se pueden formar solo a partir de peptoides de cierta longitud mínima, contienen bolsas de agua y son potencialmente porosas cuando se trata de agua e iones.
Estas ideas son intrigantes por sí mismas, pero cuando los científicos examinaron la estructura de la columna vertebral de las nanohojas, se sorprendieron al ver una regla de diseño que no se encuentra en el campo de la biología estructural de las proteínas.
Aquí está la diferencia: en la naturaleza, las proteínas están compuestas de láminas beta y hélices alfa. Estos bloques de construcción fundamentales están compuestos por esqueletos, y los polímeros que forman estos esqueletos se unen usando la misma regla. Cada polímero adyacente giraincrementalmente en la misma dirección, de modo que un giro se ejecute a lo largo de la columna vertebral.
Esta regla no se aplica a las nanohojas peptoides. A lo largo de su columna vertebral, las unidades monoméricas adyacentes giran en direcciones opuestas. Estas contrarrotaciones se cancelan entre sí, lo que da como resultado una columna vertebral lineal y sin torsión. Esto permite que la columna vertebral se enlose en dos dimensionesy se extendió en grandes hojas que son más planas que cualquier cosa que la naturaleza pueda producir.
"Fue una gran sorpresa encontrar que la regla de diseño que hace posible las nanohojas peptoides ha eludido el campo de la biología hasta ahora", dice Mannige. "Esta regla quizás podría usarse para construir muchas más estructuras no realizadas".
Agrega Zuckermann, "También esperamos que haya otros principios de diseño en espera de ser descubiertos, lo que podría conducir a más nanoestructuras biomiméticas".
Otros científicos de Molecular Foundry que contribuyeron a esta investigación son Thomas Haxton, Caroline Proulx, Ellen Robertson y Alessia Battigelli.
Esta investigación se realizó en Molecular Foundry, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en Berkeley Lab. El trabajo fue apoyado por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa, con fondos adicionales proporcionados por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá. Partede esta investigación se llevó a cabo a través de un proyecto de usuario en la fundición molecular dirigido por Glenn Butterfoss de la Universidad de Nueva York.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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