Si quieres construir una casa alta, necesitas usar andamios. El profesor Ye Zhang y sus colegas de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) están aplicando este principio de construcción a su trabajo de laboratorio, con una gran diferencia:los materiales con los que están trabajando tienen un tamaño de solo unas mil millonésimas de metro cuadrado.

La construcción a nanoescala es un campo de la nanotecnología que utiliza nanomateriales como bloques de construcción básicos para crear materiales con características específicas. En los primeros días del campo, Los investigadores investigaron el potencial de construir estructuras a nanoescala / microescala utilizando componentes moleculares individuales. Ahora, Los científicos se inspiran en el mundo biológico, que implica un proceso mucho más complejo con interacciones entre muchos componentes diferentes.

En organismos vivos, Las complejas estructuras moleculares se construyen y deconstruyen constantemente durante el ciclo de vida del organismo. Por ejemplo, para moverse dentro del cuerpo, las células deben interactuar con su entorno externo, conocida como matriz extracelular (MEC). El ECM es el andamio fibroso natural que proporciona soporte estructural y bioquímico a las células circundantes. Para crear espacio para ellos mismos para moverse, las células secretan enzimas proteasas, que digieren parcialmente el ECM. En cambio, Las moléculas en la ECM también pueden apoyar o suprimir procesos dentro de la propia célula.

Inspirándose en los métodos de construcción biológicos utilizados en las células y el ECM, la Unidad de Materia Suave Bioinspirada, dirigido por el Prof. Zhang, ha diseñado y sintetizado un conjunto de herramientas a nanoescala de moléculas que pueden interactuar para ensamblar estructuras moleculares complejas. Su trabajo fue publicado recientemente en Edición internacional Angewandte Chemie .

Los investigadores diseñaron y sintetizaron dos moléculas basadas en un compuesto químico orgánico fragante llamado cumarina. Uno es una molécula de péptido que se autoensambla en nanofibras. Estos se unen para formar un "andamio" molecular. La otra es una molécula de benzoato que se autoensambla en nanoestructuras en forma de láminas. Estas hojas forman "ladrillos" moleculares, que a su vez toman forma como torres moleculares. Cuando estas moléculas se mezclan, se separan por tipo, se autoensamblan y luego interactúan para construir estructuras moleculares de orden superior.

Los investigadores cambiaron la estructura del andamio molecular mediante el uso de luz ultravioleta o una enzima para escindir las nanofibras. lo que les permitió manipular la altura de la 'torre molecular'. Utilizaron microscopios electrónicos de barrido en OIST para observar las características estructurales de las moléculas, como capas y formas. Luego, con la ayuda de los técnicos de OIST, utilizaron microscopía de fuerza atómica para medir la altura exacta de las torres moleculares en nanómetros.

Demostraron que el andamio de péptidos fibrosos regula la altura y la arquitectura de la torre molecular. Con la ayuda de este andamio, que proporciona soporte a través de interacciones superficiales entre las nanoestructuras, los ladrillos de benzoato pueden formar estructuras más altas. "Mientras que los ladrillos moleculares por sí solos pueden construir torres de hasta 100 nanómetros, cuando agregamos la fibra, podrían construir torres de hasta 900 nanómetros, "dice el profesor Zhang.

Al imitar el proceso de autoensamblaje molecular que ocurre en los organismos vivos, los químicos pueden aprender nuevos métodos de síntesis química de nano / microestructuras. En el futuro, La Unidad de Materia Suave Bioinspired espera construir moléculas específicas en membranas biológicas para regular el destino de las células. Por ejemplo, mediante la construcción de moléculas en las membranas celulares, esperan algún día poder manipular la organización espacial de las proteínas de membrana.