(PhysOrg.com) - Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Han convencido a los polímeros para que se trencen en finas cuerdas a nanoescala que se acercan a la complejidad estructural de los materiales biológicos.

Su trabajo es el último avance en el impulso para desarrollar materiales a nanoescala autoensamblables que imitan la complejidad y funcionalidad de la obra de la naturaleza. pero que son lo suficientemente resistentes para soportar condiciones duras como el calor y la sequedad.

Aunque todavía se encuentra en una etapa temprana de desarrollo, su investigación podría conducir a nuevas aplicaciones que combinen lo mejor de ambos mundos. Quizás se utilizarán como andamios para guiar la construcción de cables a nanoescala y otras estructuras. O tal vez se utilizarán para desarrollar vehículos de administración de fármacos que se dirijan a la enfermedad a escala molecular, o para desarrollar sensores moleculares y dispositivos en forma de tamiz que separan las moléculas entre sí.

Específicamente, los científicos crearon las condiciones para que los polímeros sintéticos llamados polipéptoides se ensamblaran en estructuras cada vez más complicadas:primero en láminas, luego en pilas de hojas, que a su vez se enrollan en hélices dobles que se asemejan a una cuerda que mide solo 600 nanómetros de diámetro (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro).

“Este autoensamblaje jerárquico es el sello distintivo de materiales biológicos como el colágeno, pero diseñar estructuras sintéticas que hagan esto ha sido un gran desafío, "Dice Ron Zuckermann, quien es el Director de Instalaciones de las Instalaciones de Nanoestructuras Biológicas en la Fundición Molecular de Berkeley Lab.

Además, a diferencia de los polímeros normales, los científicos pueden controlar la composición átomo por átomo de las estructuras viscosas. También pueden diseñar hélices de longitudes y secuencias específicas. Esta "sintonía" abre la puerta al desarrollo de estructuras sintéticas que imitan la capacidad de los materiales biológicos para realizar increíbles hazañas de precisión. como dirigirse a moléculas específicas.

“La naturaleza usa la longitud y la secuencia exactas para desarrollar estructuras altamente funcionales. Un anticuerpo puede reconocer una forma de proteína sobre otra, y estamos tratando de imitar esto, ”Añade Zuckermann.

Zuckermann y sus colegas realizaron la investigación en The Molecular Foundry, que es uno de los cinco Centros de Investigación Científica a Nanoescala del DOE, instalaciones de usuarios nacionales más importantes para la investigación interdisciplinaria a nanoescala. Junto a él estaban los científicos del laboratorio de Berkeley, Hannah Murnen, Adrianne Rosales, Jonathan Jaworski, y Rachel Segalman. Su investigación fue publicada en un número reciente de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

Los científicos trabajaron con cadenas de polímeros bioinspirados llamados peptoides. Los peptoides son estructuras que imitan a los péptidos, que la naturaleza usa para formar proteínas, los caballos de batalla de la biología. En lugar de usar péptidos para construir proteínas, sin embargo, los científicos se esfuerzan por utilizar peptoides para construir estructuras sintéticas que se comporten como proteínas.

El equipo comenzó con un copolímero de bloque, que es un polímero compuesto por dos o más monómeros diferentes.

“Los copolímeros de bloque simples se autoensamblan en estructuras a nanoescala, pero queríamos ver cómo la secuencia detallada y la funcionalidad de las unidades bioinspiradas podrían usarse para hacer estructuras más complicadas, "Dice Rachel Segalman, un científico de la facultad en Berkeley Lab y profesor de Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad de California, Berkeley.

Teniendo esto en cuenta, las piezas peptoides fueron sintetizadas robóticamente, procesado, y luego se agrega a una solución que fomenta el autoensamblaje.

El resultado fue una variedad de formas y estructuras de fabricación propia, siendo las hélices trenzadas las más intrigantes. La estructura jerárquica de la hélice, y su capacidad de ser manipulado átomo por átomo, significa que podría usarse como plantilla para mineralizar estructuras complejas a escala nanométrica.

“La idea es ensamblar estructuras estructuralmente complejas a escala nanométrica con una entrada mínima, ”Dice Hannah Murnen. Agrega que la próxima esperanza de los científicos es aprovechar el hecho de que tienen un control mínimo sobre la secuencia de la estructura, y explorar cómo los cambios químicos muy pequeños alteran la estructura helicoidal.

Dice Zuckermann, “Estas hélices trenzadas son una de las primeras incursiones en la fabricación de copolímeros de bloque definidos atómicamente. La idea es tomar algo que normalmente consideramos plástico, y permitirle adoptar estructuras que son más complejas y capaces de una función superior, como el reconocimiento molecular, que es lo que las proteínas hacen realmente bien ".

Los experimentos de difracción de rayos X utilizados para caracterizar las estructuras se llevaron a cabo en las líneas de luz 8.3.1 y 7.3.3 de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. una instalación de usuario nacional que genera rayos X intensos para probar las propiedades fundamentales de las sustancias. Este trabajo fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Naval.