Moléculas similares a proteínas llamadas "polipéptoides" (o "peptoides, "para abreviar) son muy prometedores como bloques de construcción de precisión para crear una variedad de nanomateriales de diseño, como nanohojas flexibles:ultradelgadas, materiales 2-D a escala atómica. Podrían avanzar en una serie de aplicaciones, como sintéticas, anticuerpos específicos de la enfermedad y membranas o tejidos autorreparables, a bajo costo.

Para entender cómo hacer realidad estas aplicaciones, sin embargo, los científicos necesitan una forma de acercarse a la estructura atómica de un peptoide. En el campo de la ciencia de los materiales, Los investigadores suelen utilizar microscopios electrónicos para alcanzar una resolución atómica, pero los materiales blandos como los peptoides se desintegrarían bajo el áspero resplandor de un haz de electrones.

Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) han adaptado una técnica que utiliza el poder de los electrones para visualizar la estructura atómica de un material blando mientras la mantiene intacta.

Su estudio, publicado en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , demuestra por primera vez cómo la crio-EM (microscopía electrónica criogénica), una técnica ganadora del Premio Nobel originalmente diseñada para obtener imágenes de proteínas en solución, se puede utilizar para visualizar cambios atómicos en un material sintético blando. Sus hallazgos tienen implicaciones para la síntesis de materiales 2-D para una amplia variedad de aplicaciones.

"Todos los materiales que tocamos funcionan debido a la forma en que los átomos están dispuestos en el material. Pero no tenemos ese conocimiento para los peptoides porque, a diferencia de las proteínas, la estructura atómica de muchos materiales sintéticos blandos es desordenada y difícil de predecir, "dijo Nitash Balsara, un científico de la facultad senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, y profesor de ingeniería química en UC Berkeley, quien codirigió el estudio. "Y si no sabe dónde están los átomos, estás volando a ciegas. Nuestro uso de crio-EM para la obtención de imágenes de peptoides establecerá un camino claro para el diseño y síntesis de materiales blandos a escala atómica ".

Echando un vistazo a los materiales blandos

Durante los últimos 13 años, Balsara ha estado liderando un esfuerzo para obtener imágenes de materiales blandos a escala atómica a través del Programa de microscopía electrónica de materia blanda de Berkeley Lab. Para el estudio actual, unió fuerzas con Ronald Zuckermann, un científico senior en la Fundición Molecular de Berkeley Lab que descubrió por primera vez los peptoides hace casi 30 años en su búsqueda de nuevos polímeros:materiales hechos de largos, cadenas repetidas de pequeñas unidades moleculares llamadas "monómeros", para terapias farmacológicas dirigidas.

"Este estudio surge de muchos años de investigación aquí en Berkeley Lab. Hacer un material y ver los átomos, es el sueño de mi carrera, "dijo Zuckermann, quien codirigió el estudio con Balsara.

A diferencia de la mayoría de los polímeros sintéticos, los peptoides pueden tener una secuencia precisa de unidades monoméricas, un rasgo común en los polímeros biológicos, como proteínas y ADN.

Y como las proteínas naturales, Los peptoides pueden crecer o autoensamblarse en formas distintas para funciones específicas, como hélices, fibras, nanotubos, o nanohojas delgadas y planas.

Pero a diferencia de las proteínas, la estructura molecular de los peptoides es típicamente amorfa e impredecible, como una pila de fideos húmedos. Y desenredar una estructura tan impredecible ha sido durante mucho tiempo un obstáculo para los científicos de materiales.

Detectando peptoides con cryo-EM

Entonces, los investigadores recurrieron a cryo-EM, que congela rápidamente los peptoides a una temperatura de alrededor de 80 kelvins (o menos 316 grados Fahrenheit) en microsegundos. La temperatura ultra fría de cryo-EM bloquea la estructura de la hoja y también evita que los electrones destruyan la muestra.

Para proteger materiales blandos, cryo-EM utiliza menos electrones que la microscopía electrónica convencional, resultando en imágenes fantasmales en blanco y negro. Para documentar mejor lo que está sucediendo a nivel atómico, se toman cientos de estas imágenes. Las sofisticadas herramientas matemáticas combinan estas imágenes para crear imágenes a escala atómica más detalladas.

Para el estudio, los investigadores fabricaron nanohojas en solución a partir de polímeros peptoides cortos hechos de una cadena de seis monómeros hidrófobos conocidos como "aromáticos, "conectado a cuatro monómeros de poliéter hidrófilos. Los monómeros hidrófilos o" amantes del agua "son atraídos por el agua en la solución, mientras que los monómeros hidrófobos o que "odian el agua" evitan el agua, Orientando las moléculas para formar nanohojas cristalinas que tienen solo una molécula de espesor (alrededor de 3 nanómetros, o 3 mil millonésimas de metro).

Autor principal Sunting Xuan, investigador postdoctoral en la División de Ciencias de los Materiales, sintetizó las nanohojas peptoides y utilizó técnicas de dispersión de rayos X en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab para caracterizar su estructura molecular. El ALS produce luz en una variedad de longitudes de onda para permitir estudios de la estructura y química a nanoescala de las muestras. entre otras propiedades.

Xi Jiang, un científico de proyectos en la División de Ciencias de los Materiales, capturó las imágenes de alta calidad y desarrolló los algoritmos necesarios para lograr la resolución atómica en las imágenes peptoides.

David Prendergast, científico de planta superior y director interino de la Fundición Molecular, sustituciones atómicas modeladas en los peptoides, y Nan Li, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular, realizó simulaciones de dinámica molecular para establecer un modelo a escala atómica de la nanoplaca.

En el corazón del descubrimiento del equipo estaba su capacidad para iterar rápidamente entre la síntesis de materiales y la imagen atómica. La precisión de la síntesis de peptoides, junto con la capacidad de los investigadores de obtener imágenes directamente de la ubicación de los átomos utilizando crio-EM, les permitió diseñar el peptoide a nivel atómico. Para su sorpresa, cuando crearon varias variaciones nuevas de la secuencia del monómero peptoide, la estructura atómica de la nanohoja cambió de una manera muy ordenada.

Por ejemplo, cuando se añadió un átomo de bromo adicional a cada anillo aromático, la forma de cada molécula de peptoide se mantuvo sin cambios, pero el espacio entre filas aumentó lo suficiente para acomodar los átomos de bromo adicionales.

Es más, cuando se obtuvieron imágenes de cuatro variantes adicionales de la estructura de nanohojas peptoides, los investigadores notaron una notable uniformidad en su estructura atómica, y que las nanohojas compartían la misma forma de moléculas peptoides. Esto les permitió diseñar de manera predecible la estructura de nanohojas, Dijo Zuckermann.

"Tener tanto control a escala atómica en materiales blandos fue completamente inesperado, "dijo Balsara, porque se asumió que solo las proteínas podrían formar formas definidas cuando tienes una secuencia específica de monómeros; en su caso, aminoácidos.

Un enfoque de equipo para los nuevos materiales

Durante casi cuatro décadas, Berkeley Lab ha llevado los límites de la microscopía electrónica a campos de la ciencia que alguna vez se consideraron imposibles de explorar con un haz de electrones. El trabajo pionero de los científicos en Berkeley Lab también jugó un papel clave en el Premio Nobel de Química de 2017, que honró el desarrollo de cryo-EM.

"La mayoría de la gente diría que no es posible desarrollar una técnica que pueda posicionar y ver átomos individuales en un material blando, ", dijo Balsara." La única forma de resolver problemas difíciles como este es trabajar en equipo con expertos de todas las disciplinas científicas. En Berkeley Lab, trabajamos en equipo ".

Zuckermann agregó que el estudio actual demuestra que la técnica crio-EM podría aplicarse a una amplia gama de polímeros comunes y otros materiales blandos industriales. y podría conducir a una nueva clase de nanomateriales blandos que se pliegan en estructuras similares a proteínas con funciones similares a las de las proteínas.

"Este trabajo prepara el escenario para que los científicos de materiales aborden el desafío de hacer realidad las proteínas artificiales, " él dijo, agregando que su estudio también posiciona al equipo para trabajar en la resolución de una diversidad de problemas interesantes, y "concienciar a las personas de que, también, pueden comenzar a observar la estructura atómica de sus materiales blandos utilizando estas técnicas de crio-EM ".