Los científicos de materiales han creado un nuevo material que funciona como una membrana celular que se encuentra en la naturaleza. Este material se ha buscado durante mucho tiempo para aplicaciones tan variadas como la purificación de agua y la administración de medicamentos.
Conocido como un peptoide similar a los lípidos lo desempacaremos en un segundo, el material puede ensamblarse en una lámina más delgada, pero más estable, que una burbuja de jabón, informan los investigadores el 12 de julio Comunicaciones de la naturaleza . La hoja ensamblada puede soportar ser sumergida en una variedad de líquidos e incluso puede repararse sola después del daño.
"La naturaleza es muy inteligente. Los investigadores están tratando de hacer membranas biomiméticas que sean estables y tengan ciertas propiedades deseadas de las membranas celulares", dijo el químico Chun-Long Chen del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "Creemos que estos materiales tienenpotencial en filtros de agua, sensores, suministro de medicamentos y especialmente celdas de combustible u otras aplicaciones de energía ".
La increíble membrana
Las membranas celulares son materiales asombrosos. Hechas de láminas delgadas de moléculas grasas llamadas lípidos, son al menos diez veces más delgadas que una burbuja de jabón iridiscente y, sin embargo, permiten que las células formen colectivamente organismos tan diversos en bacterias, árboles y personas.
Las membranas celulares son muy selectivas acerca de lo que dejan pasar, utilizando pequeñas proteínas incrustadas como guardianes. Las membranas reparan las abolladuras de su estructura automáticamente y cambian el grosor para transmitir señales desde el entorno exterior al interior de la célula, donde se encuentra la mayor parte de la acción.
A los científicos les gustaría aprovechar las propiedades de la membrana, como la protección de la puerta para hacer filtros o la señalización para fabricar sensores. Un material similar a la membrana celular tendría ventajas sobre otros materiales delgados como el grafeno. Por ejemplo, imitando la eficiencia de la protección de una membrana celularpodría resultar en membranas de purificación de agua que no requieren mucha presión o energía para empujar el agua.
Las moléculas sintéticas llamadas peptoides han llamado la atención de los investigadores porque son baratas, versátiles y personalizables. Son como proteínas naturales, incluidas las que se incrustan en las membranas celulares, y pueden diseñarse para tener formas y funciones muy específicas. Entonces Cheny sus colegas decidieron ver si podían diseñar peptoides para hacerlos más similares a los lípidos.
Diseño de membranas
Las moléculas de lípidos son largas y en su mayoría rectas: tienen un extremo graso que prefiere pasar el rato con otras grasas y un extremo similar al agua que prefiere la comodidad del agua. Debido a esta química, las moléculas de lípidos se organizan con los extremos grasosapuntados uno hacia el otro, intercalados entre los extremos amantes del agua señalados. Los científicos llaman a esto una bicapa lipídica, esencialmente una hoja que envuelve el contenido de una célula. Las proteínas o las moléculas de carbohidratos se incrustan en la hoja membranosa.
Inspirados por esto, Chen y sus colegas diseñaron peptoides en los que cada peptoide base era una molécula larga con un extremo que ama el agua y el otro extremo que ama la grasa. Eligieron características químicas que esperaban que alentarían a las moléculas individuales a juntarse.Examinaron las estructuras resultantes utilizando una variedad de métodos de análisis, incluidos algunos en Advanced Light Source y Molecular Foundry, dos instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
El equipo descubrió que después de poner los peptoides similares a los lípidos en una solución líquida, las moléculas cristalizaron espontáneamente y formaron lo que los científicos llaman nanomembranas, láminas de bordes rectos tan delgadas como las membranas celulares, que flotan en el vaso de precipitados. Estas nanomembranas se mantienensu estructura en agua o alcohol, a diferentes temperaturas, en soluciones con pH alto o bajo, o altas concentraciones de sales, una hazaña que pocas membranas celulares podrían lograr.
Una vista desde el medio
Para comprender mejor las nanomembranas, el equipo simuló cómo las moléculas peptoides individuales interactúan entre sí utilizando un software de dinámica molecular. Los peptoides simulados formaron una membrana que recuerda a una bicapa lipídica: los extremos amantes de la grasa se alinearon en el medio y su aguaextremos amorosos apuntados hacia afuera, ya sea arriba o abajo.
Para probar si sus membranas sintéticas tenían la capacidad de señalización de las membranas celulares, los investigadores agregaron un toque de sal de cloruro de sodio. La sal está involucrada en el último paso en muchas secuencias de señalización y hace que las membranas celulares reales se espesen.los peptoides lo hicieron. Mientras más sal añadieron los investigadores, más gruesas se volvieron las nanomembranas, alcanzando aproximadamente el 125 por ciento de su espesor original en el rango de concentraciones de sal que probaron.
Las membranas reales también contienen proteínas que tienen funciones específicas, como las que dejan pasar el agua y solo el agua. El grupo de Chen probó la capacidad de los peptoides para hacerlo mediante la introducción de una variedad de cadenas laterales. Las cadenas laterales son esencialmente moléculas pequeñas dediferentes formas, tamaños y naturalezas químicas unidas a los peptoides similares a los lípidos más largos. Probaron 10 diseños diferentes. En cada caso, los peptoides se ensamblaron en las nanomembranas con la estructura del núcleo permaneciendo intacta. El equipo también pudo construir un carbohidrato en nanomembranas, mostrandoEl material puede ser diseñado para tener funciones versátiles.
El equipo luego probó las nanomembranas para ver si podían repararse a sí mismas, una característica útil para las membranas que podrían rayarse durante el uso. Después de cortar las ranuras en una membrana, agregaron más del peptoide similar a los lípidos. Visto bajo un microscopio sobreEn el transcurso de unas pocas horas, los rasguños se llenaron con más peptoides y la nanomembrana se volvió a completar compárelo con cortes en papel, que no se reparan espontáneamente incluso después de ser grabados.
Tomados en conjunto, los resultados mostraron a los investigadores que están en el camino correcto para fabricar materiales sintéticos similares a las membranas celulares. Sin embargo, todavía hay algunos desafíos que deben abordarse para las aplicaciones. Por ejemplo, a los investigadores les gustaría entender mejor cómolas membranas se forman para que puedan hacer muchos tamaños deseables.
El siguiente paso, dijo Chen, es construir membranas biomiméticas incorporando proteínas de membrana natural u otros canales de agua sintéticos como los nanotubos de carbono en estas matrices de láminas. El equipo también está buscando formas de hacer que las membranas peptoides sean conductoras para usos energéticos.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía y 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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