Исследователи спроектировали и создали жесткие, самособирающиеся, настраиваемые полимерные цепи, соединив вместе новые строительные блоки, называемые связками – термин, придуманный в UD. Недавно они описали свою работу в журнале Nature.
Чтобы создать упаковщики, команда собирает четыре отдельных пептида, которые сами по себе представляют собой короткие цепочки аминокислот, в наноскопические цилиндры. Затем цилиндры связующего устройства соединяются между собой через высокоэффективную и контролируемую серию химических реакций, известных как химия щелчка.
Получающиеся полимерные цепи представляют собой жесткие стержневидные молекулы, которые основаны на биологии, но не существуют в природе. Затем цепи связки могут быть модифицированы такими компонентами, как синтетические полимеры или неорганические наночастицы, для создания новых гибридных наноматериалов.
«В материалах есть основная предпосылка: если вы можете управлять функциями и структурой, то вы можете построить практически все», – сказал Крис Клоксин, автор исследования и доцент кафедры материаловедения и инженерии, а также химической и биомолекулярной инженерии в UD. "У нас есть очень четко определенная структурная единица, этот пакетировщик, в который мы можем добавлять химические функции в любом месте."
Из-за их жесткости и настраиваемости упаковщики могут использоваться для разработки новых материалов с широким спектром применения, от высокоэффективных волокон до одноразовых пластиков и биопрепаратов, лекарств, в которых используются биологические компоненты вместо традиционных химических веществ.
Биофармацевтические исследования и разработки – растущая область знаний в Университете Делавэра, где находится Национальный институт инноваций в биофармацевтическом производстве (NIIMBL).
Жесткость упаковщиков также может сделать эти материалы полезными в качестве заменителей знаменитых прочных материалов, таких как сталь в мостах, шелк в парашютах или кевлар в пуленепробиваемых жилетах.
Практически каждый день соавтор Даррин Почан, заведующий кафедрой материаловедения и инженерии в UD, и Клоксин придумывают новое приложение, которым нужно заниматься – достаточно, чтобы занять их и их студентов на долгие годы.
«Наша идея состоит в том, что эти упаковщики действительно являются строительными блоками во всех смыслах этого слова», – сказал Почан. "Мы собираемся построить много-много материалов и технологий из этих строительных блоков."
Команда уже подала заявку на один патент и планирует подать еще.
Происхождение упаковщиков
Почан и соавтор Джеффри Савен, профессор химии в Университете Пенсильвании, сотрудничают с 2012 года, когда они получили грант Национального научного фонда DMREF на изучение дизайнерских материалов. Кристи Киик, заслуженный профессор материаловедения и инженерии Blue and Gold, также участвовала в этом проекте.
Группа вычислительной химии Saven разрабатывает и моделирует специфические пептидные последовательности для выявления перспективных кандидатов для синтеза и характеристики. «Наша группа занимается проектированием и определением того, что делать, а затем моделирует эти системы, чтобы попытаться понять их стабильность», – сказал Савен о роли своей группы в сотрудничестве.
Saven сотрудничает с Pochan, а теперь и с Kloxin, которые присоединились к сотрудничеству позже, и обсуждают плюсы и минусы различных пептидных последовательностей и способы наилучшего создания нового материала с определенным свойством.
Затем в UD Почан и Клоксин производят материалы.
«Хорошо иметь отзывы о важных функциях, которые нужно включить в расчеты», – сказал Савен о важности итеративных обсуждений между группами в UD и Penn.
Сказал Почан: «Мы проектируем с помощью вычислений, а затем экспериментально создаем молекулы для сборки в строительные блоки связующего устройства», – сказал Почан. "Мы не ограничены набором инструментов природы."
Тем не менее, несмотря на тщательное планирование, первые экспериментальные результаты удивили Почана и Клоксина – в хорошем смысле. Когда они впервые увидели измерения жесткости цепи связки, они предположили, что что-то не так.
Обычно полимерные цепи рыхлые и гибкие, как спагетти, но полимеры, созданные из связок, больше похожи на длинные, тонкие и прочные стержни.
«Жесткость была довольно удивительной и ошеломляющей, – сказал Почан.
Это не было ошибкой. Дополнительное тестирование показало, что связки имеют гораздо более высокую весовую жесткость, чем почти любые другие полимеры, такие как синтетические полимеры и ДНК.
После синтеза связок группа исследователей охарактеризовала материалы с помощью просвечивающей электронной микроскопии и криогенной просвечивающей электронной микроскопии в Центре передовой микроскопии и микроанализа Кека. Они также подтвердили размер и структуру связок с помощью экспериментов по малоугловому рассеянию нейтронов в Центре нейтронных исследований NIST, который заключил соглашение о сотрудничестве с Университетом Делавэра для Центра нейтронных исследований.
Джефф Каплан, эксперт по конфокальной микроскопии и директор отдела биоимиджинга в Биотехнологическом институте Делавэра, выполнил визуализацию методом стохастической оптической реконструктивной микроскопии (STORM) для визуализации крошечных сегментов внутри связок. Каплан – соавтор газеты Nature.
Этот проект был бы невозможен без дополнительных знаний главных исследователей. Saven преуспевает в вычислениях и теории.
Клоксин превосходен в химии полимеров. Pochan преуспевает в синтезе и характеристике материалов.
«У нас много общего с нашим опытом, но дело в том, что без одного из нас ничего бы этого не произошло», – сказал Почан. «Без таких объектов, как лаборатория микроскопии Кека в Калифорнийском университете, Центр биоимиджинга при Биотехнологическом институте Делавэра и наши отношения с NIST и Центром нейтронных исследований, подобная работа не состоялась бы."
Будущее упаковщиков
Затем команда стремится сделать сборщики пакетов более доступными, более простыми для синтеза и масштабируемыми.
Ученые всего мира могут использовать упаковщики для решения широкого круга серьезных задач в области инженерии. «Это инструменты, которые может использовать каждый, будь то химик, инженер или физик», – сказал Почан. "Трудно даже придумать эквивалентный материал или экспериментальный инструмент, который люди широко используют. Это как набор инструментов для всех, кто может проектировать будущие вещи."