Les scientifiques de Berkeley Lab ont développé une corde à l'échelle nanométrique qui se tresse, comme le montre cette image de microscopie à force atomique de la structure à une résolution d'un millionième de mètre.
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l'Énergie des États-Unis ont amené des polymères à se tresser en cordes fines à l'échelle nanométrique qui approchent la complexité structurelle des matériaux biologiques.
Leur travail est le dernier développement dans la poussée pour développer des matériaux nanométriques auto-assemblants qui imitent la complexité et la fonctionnalité du travail manuel de la nature, mais qui sont suffisamment robustes pour résister à des conditions difficiles telles que la chaleur et la sécheresse.
Bien qu'encore au début de la phase de développement, leurs recherches pourraient déboucher sur de nouvelles applications combinant le meilleur des deux mondes. Peut-être seront-ils utilisés comme échafaudages pour guider la construction de fils nanométriques et d'autres structures. Ou peut-être seront-ils utilisés pour développer des véhicules d'administration de médicaments ciblant la maladie à l'échelle moléculaire, ou pour développer des capteurs moléculaires et des dispositifs de type tamis qui séparent les molécules les unes des autres.
Spécifiquement, les scientifiques ont créé les conditions pour que les polymères synthétiques appelés polypeptoïdes s'assemblent en structures de plus en plus complexes :d'abord en feuilles, puis en piles de feuilles, qui à leur tour s'enroulent en doubles hélices qui ressemblent à une corde mesurant seulement 600 nanomètres de diamètre (un nanomètre est un milliardième de mètre).
« Cet auto-assemblage hiérarchique est la marque de fabrique des matériaux biologiques tels que le collagène, mais concevoir des structures synthétiques qui le font a été un défi majeur, " dit Ron Zuckermann, qui est le directeur de l'installation de nanostructures biologiques de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab.
En outre, contrairement aux polymères normaux, les scientifiques peuvent contrôler la composition atome par atome des structures filiformes. Ils peuvent également concevoir des hélices de longueurs et de séquences spécifiques. Cette « accordabilité » ouvre la porte au développement de structures synthétiques qui imitent la capacité des matériaux biologiques à réaliser des prouesses de précision incroyables, comme la recherche de molécules spécifiques.
« La nature utilise une longueur et une séquence exactes pour développer des structures hautement fonctionnelles. Un anticorps peut reconnaître une forme de protéine plutôt qu'une autre, et nous essayons d'imiter cela, », ajoute Zuckermann.
Zuckermann et ses collègues ont mené la recherche à The Molecular Foundry, qui est l'une des cinq premières installations nationales d'utilisateurs des centres de recherche scientifique à l'échelle du DOE pour la recherche interdisciplinaire à l'échelle nanométrique. Il était accompagné de ses collègues scientifiques du Berkeley Lab, Hannah Murnen, Adrianne Rosales, Jonathan Jaworski, et Rachel Segalman. Leurs recherches ont été publiées dans un récent numéro du Journal de l'American Chemical Society .
Les scientifiques ont travaillé avec des chaînes de polymères bioinspirés appelés peptoïdes. Les peptoïdes sont des structures qui imitent les peptides, que la nature utilise pour former des protéines, les chevaux de bataille de la biologie. Au lieu d'utiliser des peptides pour construire des protéines, cependant, les scientifiques s'efforcent d'utiliser des peptoïdes pour construire des structures synthétiques qui se comportent comme des protéines.
L'équipe a commencé avec un copolymère séquencé, qui est un polymère composé de deux ou plusieurs monomères différents.
« De simples copolymères à blocs s'auto-assemblent en structures nanométriques, mais nous voulions voir comment la séquence détaillée et la fonctionnalité des unités bioinspirées pourraient être utilisées pour créer des structures plus complexes, », dit Rachel Segalman, chercheur au Berkeley Lab et professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Université de Californie, Berkeley.
Avec ça en tête, les morceaux peptoïdes ont été synthétisés par robot, traité, puis ajouté à une solution qui favorise l'auto-assemblage.
Le résultat était une variété de formes et de structures auto-fabriquées, les hélices tressées étant les plus intrigantes. La structure hiérarchique de l'hélice, et sa capacité à être manipulé atome par atome, signifie qu'il pourrait être utilisé comme modèle pour la minéralisation de structures complexes à l'échelle nanométrique.
« L'idée est d'assembler des structures structurellement complexes à l'échelle nanométrique avec un apport minimal, », dit Hannah Murnen. Elle ajoute que le prochain espoir des scientifiques est de capitaliser sur le fait qu'ils ont un contrôle minutieux sur la séquence de la structure, et explorer comment de très petits changements chimiques modifient la structure hélicoïdale.
Dit Zuckermann, « Ces hélices tressées sont l'une des premières incursions dans la fabrication de copolymères séquencés atomiquement définis. L'idée est de prendre quelque chose que nous considérons normalement comme du plastique, et lui permettre d'adopter des structures plus complexes et capables d'une fonction supérieure, comme la reconnaissance moléculaire, c'est ce que les protéines font vraiment bien.
Les expériences de diffraction des rayons X utilisées pour caractériser les structures ont été menées sur les lignes de lumière 8.3.1 et 7.3.3 de la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, une installation nationale d'utilisateurs qui génère des rayons X intenses pour sonder les propriétés fondamentales des substances. Ce travail a été soutenu en partie par l'Office of Naval Research.
