Los polímeros sintéticos están en todas partes de nuestra sociedad:desde ropa de nailon y poliéster hasta utensilios de cocina de teflón y pegamento epoxi. A nivel molecular, las moléculas de estos polímeros están formadas por largas cadenas de bloques de construcción de monómeros, cuya complejidad aumenta la funcionalidad en muchos de estos materiales.

En particular, los copolímeros, que consisten en diferentes tipos de monómeros en la misma cadena, permiten ajustar las propiedades del material, dijo Peng Chen, director de investigación de Peter J.W. Profesor Debye de Química en la Facultad de Artes y Ciencias (A&S). La secuencia de monómeros desempeña un papel fundamental en las propiedades de un material, pero hasta ahora los científicos carecían de un método para secuenciar copolímeros sintéticos.

Chen y sus colegas han desarrollado CREATS (Enfoque de reacción acoplada hacia imágenes de superresolución), que les permite obtener imágenes de reacciones de catálisis de polimerización con una resolución de un solo monómero y, mediante señalización fluorescente, diferenciar los monómeros entre sí. Ambos son pasos importantes para descubrir la composición molecular de un polímero sintético.

Describen la técnica y los primeros descubrimientos que han hecho con ella en "Optical Sequencing of Single Synthetic Polymers", publicado en Nature Chemistry. .

Los coautores principales son Rong Ye, Xiangcheng Sun y Xianwen Mao, todos ex investigadores postdoctorales del grupo Chen. Los coautores son los ex investigadores postdoctorales del grupo Chen Susil Baral y Chunming Liu, el actual investigador postdoctoral Felix Alfonso y Geoffrey Coates, profesor de química y biología química (A&S) de la Universidad de Tisch.

"Los polímeros sintéticos están hechos de unidades monoméricas unidas entre sí como un collar de cuentas", dijo Chen. En los polímeros más simples, los monómeros son idénticos, pero surgen propiedades más complejas cuando los polímeros contienen monómeros de diferentes tipos, llamados copolímeros. La disposición precisa de los monómeros en un copolímero juega un papel importante en sus propiedades, como la rigidez o la flexibilidad.

La secuencia también juega un papel en las propiedades de los polímeros naturales, dijo Chen. Una proteína, por ejemplo, está formada por 20 monómeros de aminoácidos dispuestos en una secuencia muy específica.

"En un polímero natural, la naturaleza tiene el control", afirmó Chen. "En los polímeros sintéticos, los seres humanos hacen los arreglos y los químicos generalmente no tienen ese control preciso".

La secuenciación de copolímeros es tan difícil en gran parte debido a la heterogeneidad de los polímeros sintéticos, dijo Chen. Las cadenas individuales difieren en longitud, composición y secuencia, lo que requiere métodos de secuenciación de un solo polímero que puedan resolver e identificar monómeros individuales.

Algunos métodos modernos permiten a los científicos controlar la disposición de los monómeros en una cadena, dijo Chen, pero sólo para polímeros muy cortos, de 10 a 20 monómeros de largo.

Utilizando CREATS, los investigadores pueden determinar la secuencia de un polímero a medida que se fabrica, un monómero a la vez, mediante imágenes e identificación de cada monómero a medida que se agrega al polímero. Para hacer visibles los monómeros, CREATS acopla la reacción de polimerización con otra reacción que produce señales fluorescentes.

"Cada monómero que entra emite una ráfaga de luz", dijo Chen. "La luz es inducida por un láser y la ráfaga de luz tiene un color. En nuestro caso, es verde o amarillo. Al ver si es amarillo o verde, vemos qué monómero entra".

El laboratorio ya está equipado para medir las propiedades de los polímeros sintéticos. Ahora que pueden determinar la secuencia de un polímero individual, el siguiente paso es combinar los dos experimentos para correlacionar la estructura y la función y, en última instancia, proporcionar principios rectores para que el diseño de polímeros alcance ciertas propiedades.

"Si sabes cómo la secuencia controla la propiedad, realmente puedes pensar en diseñar cualquier secuencia que quieras para lograr una determinada propiedad", dijo Chen. "Este conocimiento presumiblemente puede ayudar a las personas a adaptar sus materiales para una aplicación deseada."

Más información: Rong Ye et al, Secuenciación óptica de polímeros sintéticos individuales, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01363-2

Información de la revista: Química de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Cornell