Gracias a un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Massachusetts Amherst, los científicos pueden leer patrones en largas cadenas de moléculas para comprender y predecir el comportamiento de cadenas desordenadas de proteínas y polímeros. Los resultados podrían, entre otras cosas, allanar el camino para desarrollar nuevos materiales a partir de polímeros sintéticos.

El laboratorio de Charles Sing, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en Illinois, proporcionó la teoría detrás del descubrimiento, que luego se verificó a través de experimentos realizados en el laboratorio de Sarah Perry, profesor asistente de ingeniería química en UMass Amherst, y ex alumna de Illinois. Los colaboradores detallaron sus hallazgos en un artículo titulado "Designing Electrostatic Interactions via Polyelectrolyte Monomer Sequence" publicado en ACS (Sociedad Química Estadounidense) Central Science .

Los colegas se propusieron comprender la física detrás de la secuencia precisa de monómeros cargados a lo largo de la cadena y cómo afecta la capacidad del polímero para crear materiales líquidos autoensamblados llamados coacervados complejos.

"Lo que creo que es emocionante de este trabajo es que nos estamos inspirando en un sistema biológico, ", Dijo Sing." La imagen típica de una proteína muestra que se pliega en una estructura muy precisa. Este sistema, sin embargo, se basa en proteínas intrínsecamente desordenadas ".

Este documento se basa en hallazgos anteriores de Perry y Sing de 2017, que, en última instancia, tiene como objetivo ayudar a avanzar en el diseño de materiales inteligentes.

"Nuestro artículo anterior mostró que estas secuencias son importantes, este muestra por qué son importantes, "Sing explicó." El primero mostró que diferentes secuencias dan diferentes propiedades en la coacervación compleja. Lo que podemos hacer ahora es usar una teoría para predecir realmente por qué se comportan de esta manera ".

A diferencia de las proteínas estructuradas, que interactúan con socios vinculantes muy específicos, la mayoría de los polímeros sintéticos no lo hacen.

"Son más confusos porque reaccionarán con una amplia gama de moléculas en su entorno, "Sing explicó.

Descubrieron que a pesar de este hecho, la secuencia precisa de los monómeros a lo largo de una proteína (los aminoácidos) realmente marca la diferencia.

"Ha sido obvio para los biofísicos que la secuencia marca una gran diferencia si están formando una estructura muy precisa, "Sing dijo". Resulta que también hace una gran diferencia si están formando estructuras imprecisas ".

Incluso las proteínas no estructuradas tienen una precisión asociada. Monómeros los bloques de construcción de moléculas complejas, son los eslabones de la cadena. Lo que el grupo de Sing teorizó es que al conocer la secuencia de polímeros y monómeros y la carga (positiva, negativo o neutral) asociado con ellos, se pueden predecir las propiedades físicas de las moléculas complejas.

"Si bien los investigadores han sabido que si colocan diferentes cargas en diferentes lugares en una de estas proteínas intrínsecamente desordenadas, las propiedades termodinámicas reales cambian, "Dijo Sing.

"Lo que podemos demostrar es que en realidad se puede cambiar la fuerza de esto cambiándolo en la secuencia de manera muy específica. Hay casos aquí en los que al cambiar la secuencia por un solo monómero (un solo eslabón en esa cadena), puede cambiar drásticamente la forma en que estas cosas pueden formarse. También hemos demostrado que podemos predecir el resultado ".

Sing agrega que esta información es valiosa para los biofísicos, bioingenieros y científicos de materiales por igual. Este descubrimiento ayudará a los ingenieros a comprender una amplia clase de proteínas y ajustar las proteínas para modificar su comportamiento. Les brinda una nueva forma de poner información en moléculas para construir nuevos materiales y adivinar mejor cómo se comportan estas propiedades.

Los científicos de materiales pueden, por ejemplo, use esta información para tener un nivel de control sobre un material para hacer que se ensamble en estructuras muy complicadas o para hacer membranas que filtren con precisión los contaminantes en el agua. Su esperanza es que los científicos, inspirado en biopolímeros, puede aprovechar esta capacidad para predecir los comportamientos físicos simplemente leyendo la secuencia para, en última instancia, diseñar nuevos materiales inteligentes de esta manera.

"Esto, en cierto sentido, está acercando la biología y los polímeros sintéticos, "Sing dijo". Por ejemplo, al final del día, no hay una gran diferencia en la química entre las proteínas y el nailon. La biología está usando esa información para instruir cómo sucede la vida. Si puede poner la identificación de estos varios enlaces específicamente, esa es información valiosa para otras aplicaciones ".