Velcro. aviones Sonar. ¿Qué tienen en común? La invención de cada uno se inspiró en la naturaleza. El velcro imita la capacidad de las rebabas de bardana para adherirse a la ropa. Las aves en vuelo motivaron el eventual desarrollo de los aviones. Los murciélagos usan la ecolocalización para navegar, lo que les sirve de inspiración para el sonar.

En el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), el científico de materiales Chun-Long Chen también está interesado en los modelos que se encuentran en la naturaleza, pero en una escala mucho menor. Chen se inspira en las estructuras moleculares que se encuentran en la naturaleza; principalmente de los componentes básicos de las proteínas, llamados péptidos. Crea peptoides definidos en secuencia (moléculas similares a proteínas sintéticas que son más sólidas que los bloques de construcción naturales) para desarrollar nanomateriales biomiméticos con funciones únicas.

Estos nanomateriales bioinspirados se muestran prometedores en una amplia variedad de aplicaciones, desde la administración de fármacos hasta la energía fotovoltaica. Como líder emergente en el autoensamblaje molecular, Chen, junto con varios de sus antiguos alumnos, escribió recientemente un artículo de revisión para una próxima edición especial de Chemical Reviews . Este artículo cubre el estado del arte en nanomateriales jerárquicos ensamblados a partir de polímeros sintéticos de secuencia definida. A través de esta revisión, los autores esperan alentar a otros en campos relacionados a explorar el diseño de nanomateriales biomiméticos para aplicaciones ambientales, biomédicas y energéticas avanzadas.

"Estoy muy inspirado por los logros de Chun-Long en este campo, y realmente creo que está apenas comenzando a descubrir todo tipo de nuevas aplicaciones para las nanoestructuras peptoides biomiméticas", dijo Ronald Zuckermann, ex mentor de Chen e inventor de peptoides, de Lawrence Berkeley. Laboratorio Nacional (LBNL). "Su investigación está abriendo una era completamente nueva de nanociencia biomimética, en la que podemos manipular nanomateriales sintéticos con precisión atómica para resolver problemas de reconocimiento molecular, catálisis y terapéutica".

Grandes aplicaciones para materiales diminutos

La propia investigación de Chen se centra en el desarrollo de peptoides definidos en secuencia para imitar proteínas naturales tanto para la cristalización biomimética como para el ensamblaje de materiales biomiméticos. Las estructuras formadas por estas moléculas de autoensamblaje exhiben propiedades que son mayores que las de las moléculas individuales. Las proteínas, por ejemplo, contienen varias capas de estructuras. Los aminoácidos se unen para formar moléculas peptídicas que forman la proteína. Los péptidos se pliegan para formar la estructura 3D que le da a la proteína su función. Y en el siguiente nivel, múltiples proteínas pueden unirse para formar complejos para funciones únicas más allá de las capacidades de las proteínas individuales.

"La creación de polímeros sintéticos que se autoensamblan en nanomateriales jerárquicos como macromoléculas naturales es muy emocionante, pero el campo aún es relativamente nuevo", dijo Chen. "A través de esta revisión, queríamos resaltar algunos de los avances realizados hacia el autoensamblaje molecular de estos polímeros sintéticos de secuencia definida. También queríamos analizar las posibles aplicaciones de sus materiales jerárquicos autoensamblados en las ciencias biomédicas y las energías renovables. "

Las posibilidades son infinitas para estas diferentes funciones. Hasta el momento, estos materiales funcionales bioinspirados se han mostrado prometedores en la administración de fármacos, la detección molecular, la terapia fotodinámica, la descontaminación del agua y más.

"Las proteínas contienen mucha información. Sus secuencias de aminoácidos dictan su estructura y función en nuestros cuerpos. Los peptoides que sintetizamos toman esta idea de usar secuencias para programar estas moléculas para diferentes funciones", dijo Chen.

"En principio, podemos usar peptoides como una plataforma de bloques de construcción programables y ensamblarlos como LEGO para construir materiales jerárquicos de alto contenido de información con alta programabilidad y previsibilidad para satisfacer nuestras necesidades. El desafío es obtener información para estas predicciones a través de una cuidadosa estudio de nuestros éxitos y fracasos", dijo Chen.

Forjando un nuevo camino para los nanomateriales jerárquicos

Los nanomateriales que crea Chen son notoriamente impredecibles. Es difícil sintetizar materiales que puedan realizar funciones específicas. Chen, sin embargo, no es ajeno a la superación de tales desafíos. Como estudiante de posgrado en la Universidad Sun Yat-Sen de China, Chen comenzó a investigar el diseño y ensamblaje de moléculas en estructuras supramoleculares. Esto allanó el camino para su trabajo como investigador asociado posdoctoral en la Universidad Estatal de Mississippi, la Universidad de Pittsburgh y LBNL, donde trabajó con Zuckermann.

Chen finalmente fue reclutado para PNNL, donde encabeza el diseño de peptoides definidos en secuencia capaces de autoensamblarse.

"Hubo mucho ensayo y error involucrado no solo en la creación de las moléculas en sí, sino también en asegurarse de que pudieran formar las estructuras más grandes que queríamos", dijo Chen.

Él y su equipo inicialmente se propusieron crear moléculas para aplicaciones biomédicas como la administración de fármacos y la obtención de imágenes biológicas. Pronto, ampliaron su investigación a una amplia gama de aplicaciones, incluida la descontaminación del agua y la investigación de baterías.

La tutoría importa

"Es un gran honor para nuestro grupo ser parte de este número especial de 'Molecular Self-Assembly' en Chemical Reviews y que me inviten a escribir una reseña extensa en el área del autoensamblaje molecular de polímeros sintéticos de secuencia definida", dijo Chen. "Este es un gran reconocimiento a muchos años de arduo trabajo en este campo, incluidas nuestras contribuciones de PNNL".

Después de recibir esta invitación, Chen reunió de inmediato un equipo formado por dos de sus antiguos posdoctorados, Zhiliang Li y Bin Cai, ambos ahora profesores en la Universidad de Shandong, y un estudiante de posgrado visitante:Wenchao Yang, estudiante de posgrado de la Universidad de Tianjin. Los tres trabajaron con Chen como coautores para delinear el estado actual del arte en el autoensamblaje molecular de peptoides y otros polímeros de secuencia definida en nanomateriales jerárquicos y sus posibles aplicaciones en energía y biomedicina.

"Mientras trabajaba con Chun-Long, obtuve valiosos conocimientos en el campo de la bioquímica, como el diseño y la síntesis de biomoléculas, la síntesis orgánica y el autoensamblaje molecular", dijo Bin Cai, ex investigador postdoctoral en el grupo de Chen en PNNL. "Además, su perspicacia científica y su actitud optimista tuvieron un gran impacto y dieron forma a la dirección de mi carrera. Específicamente, lo que aprendí de él es cómo concentrarme:cómo enfocarme en un tema científico importante y hacer varios planes para lograrlo". + Explora más

Los investigadores emplean un enfoque novedoso para ensamblar peptoides en una superficie sólida