Los científicos aspiran a construir nanoestructuras que imiten la complejidad y función de las proteínas de la naturaleza, pero están hechos de materiales sintéticos y duraderos. Estos widgets microscópicos se pueden personalizar en detectores químicos increíblemente sensibles o catalizadores de larga duración. por nombrar algunas posibles aplicaciones.

Pero como ocurre con cualquier embarcación que requiera una precisión extrema, Los investigadores primero deben aprender a perfeccionar los materiales que utilizarán para construir estas estructuras. Un descubrimiento realizado por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), e informó el 7 de octubre en la publicación anticipada en línea de la revista. Naturaleza , es un gran paso en esta dirección.

Los científicos descubrieron una regla de diseño que permite que exista un material creado recientemente. El material es una nanohoja peptoide. Es una estructura plana de solo dos moléculas de espesor, y está compuesto de peptoides, que son polímeros sintéticos estrechamente relacionados con los péptidos formadores de proteínas.

La regla de diseño controla la forma en que los polímeros se unen para formar la columna vertebral que se extiende a lo largo de las nanohojas. Asombrosamente, estas moléculas se unen en un patrón de contrarrotación que no se ve en la naturaleza. Este patrón permite que la columna vertebral permanezca lineal y sin torsión, un rasgo que hace que las nanohojas peptoides sean más grandes y planas que cualquier estructura biológica.

Los científicos del laboratorio de Berkeley dicen que esta regla de diseño nunca antes vista podría usarse para juntar estructuras complejas de nanohojas y otros ensamblajes peptoides como nanotubos y sólidos cristalinos.

Y lo que es más, lo descubrieron combinando simulaciones por computadora con métodos de imágenes y dispersión de rayos X para determinar, por primera vez, la estructura de resolución atómica de las nanohojas peptoides.

"Esta investigación sugiere nuevas formas de diseñar estructuras biomiméticas, "dice Steve Whitelam, coautor del artículo de Nature. "Podemos empezar a pensar en utilizar principios de diseño distintos de los que ofrece la naturaleza".

Whitelam es un científico del personal en la instalación de teoría en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Berkeley Lab. Dirigió la investigación con el coautor para correspondencia Ranjan Mannige, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular; y Ron Zuckermann, quien dirige la Instalación de Nanoestructuras Biológicas de la Fundición Molecular. Utilizaron los recursos informáticos de alto rendimiento del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Berkeley Lab.

Las nanohojas de peptoides fueron descubiertas por el grupo de Zuckermann hace cinco años. Descubrieron que, en las condiciones adecuadas, Los peptoides se autoensamblan en conjuntos bidimensionales que pueden crecer cientos de micrones de ancho. Este "papel molecular" se ha convertido en una gran perspectiva como plataforma de imitación de proteínas para el diseño molecular.

Para obtener más información sobre este potencial material de construcción, los científicos se propusieron conocer su estructura de resolución de átomos. Esto implicó una retroalimentación entre el experimento y la teoría. Datos de microscopía y dispersión recopilados en Molecular Foundry y Advanced Light Source, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Berkeley Lab, se compararon con simulaciones de dinámica molecular realizadas en NERSC.

La investigación reveló varias cosas nuevas sobre las nanohojas peptoides. Su composición molecular varía a lo largo de su estructura, pueden formarse solo a partir de peptoides de cierta longitud mínima, contienen bolsas de agua, y son potencialmente porosos cuando se trata de agua e iones.

Estas ideas son intrigantes por sí mismas, pero cuando los científicos examinaron la estructura de la columna vertebral de las nanohojas, se sorprendieron al ver una regla de diseño que no se encuentra en el campo de la biología estructural de proteínas.

Aquí está la diferencia:en la naturaleza, las proteínas están compuestas por láminas beta y hélices alfa. Estos bloques de construcción fundamentales están compuestos a su vez por pilares, y los polímeros que componen esta columna vertebral se unen utilizando la misma regla. Cada polímero adyacente gira gradualmente en la misma dirección, de modo que un giro corra a lo largo de la columna vertebral.

Esta regla no se aplica a las nanohojas peptoides. A lo largo de su columna vertebral, las unidades de monómero adyacentes giran en direcciones opuestas. Estas contrarrotaciones se anulan entre sí, resultando en una columna vertebral lineal y sin torsión. Esto permite que la columna vertebral se embaldose en dos dimensiones y se extienda en hojas grandes que son más planas que cualquier cosa que la naturaleza pueda producir.

"Fue una gran sorpresa descubrir que la regla de diseño que hace posibles las nanohojas peptoides ha eludido el campo de la biología hasta ahora, ", dice Mannige." Esta regla tal vez podría usarse para construir muchas más estructuras no realizadas ".

Agrega Zuckermann, "También esperamos que haya otros principios de diseño esperando ser descubiertos, lo que podría conducir a más nanoestructuras biomiméticas ".