Исследователи представят свои результаты сегодня на Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS) весной 2019 года.
«Существует два основных типа полимеров, – говорит Жан-Франсуа Лутц, доктор философии.D. "Один тип – пластик, который делают люди. Другой тип называется биополимером, и это гораздо более определенная молекула. Фактически, люди в основном построены из полимеров – ДНК и белков."
Обычные химические методы производства позволяют получать полимеры неправильной длины и последовательности. Но, отмечает Лутц, природа более точна. Он объясняет, что существует огромная разница в качестве структур между полимерами, созданными человеком, и биологическими полимерами. «Цель нашей работы – восполнить пробел – производить синтетические полимеры с использованием биологического вдохновения."
Как правило, полимеры с контролируемой последовательностью могут быть созданы путем полимеризации с цепным или ступенчатым ростом. Оба подхода позволяют получать полимерные цепи разной длины. Однако, когда разные мономеры объединяются в полимеры, они будут различаться по составу от цепи к цепи и последовательности.
Такие полимеры не идеальны для таких приложений, как кодирование, в которых требуется точная однородная структура.
Лутц и его группа в Институте Чарльза Садрона работали над созданием синтетических молекул с той же точностью и единообразием, что и биологические макромолекулы. «Первоначально нас вдохновила ДНК, которая представляет собой полимер, состоящий из четырех мономеров: аденина, тимина, гуанина и цитозина», – говорит Лутц. «Хотя ДНК – это полимер, который кодирует ту самую информацию, которая делает нас людьми – важное достижение, – на самом деле это не лучшая структура для многих других вещей. Мы подумали, что, возможно, мы могли бы сделать полимер, который был бы столь же информативным, но улучшил бы структуру, чтобы его можно было использовать для различных приложений."
Группа конструирует свои синтетические полимеры с полностью контролируемыми первичными структурами, используя твердофазную итеративную химию, процесс, который изначально был разработан для производства пептидов или коротких кусочков белков.
В последние несколько лет команда создавала специально адаптированные полимеры для приложений хранения данных. В этих полимерах каждый мономер или субъединица обозначает определенный фрагмент информации. На данный момент исследователи создали крошечные устройства для хранения данных из слоистых полимеров с последовательным кодированием. Недавно они также изучили кристаллизацию кодированных синтетических полимеров и обнаружили, что молекулярные биты, которые они содержат, занимают гораздо меньшие объемы, чем нуклеотиды в ДНК. «Полимеры с кодировкой абиотических последовательностей в настоящее время выходят далеко за рамки доказательства концепции», – говорит Лутц. "Мы были первой группой.
Теперь это направление в химии полимеров."
Лутц считает, что в течение следующих 10 лет его группа выведет на рынок технологии защиты от подделок и отслеживания с использованием специально разработанных полимеров. Подделка медицинских изделий – серьезная проблема. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, более восьми процентов медицинских устройств, находящихся в обращении, являются поддельными.
Группа Лутца создает и внедряет полимеры с определенной последовательностью в медицинские устройства, такие как глазные имплантаты. Полимеры могут быть извлечены позже и идентифицированы с помощью тандемной масс-спектроскопии.
«Когда вы можете хранить код в молекуле, вы можете представить, что с помощью одной молекулы вы можете написать что-то, например, название компании, номер партии или дату производства», – говорит Лутц. "У вас есть молекула, которую можно смешивать с различными материалами, такими как пластик или керамика.
Мы можем поместить молекулу на экран смартфона, медицинского устройства или имплантата в теле. Мы могли бы даже положить его в дорогую роскошную сумку."