Velcro. Avions. Sonar. Qu'est-ce que ceux-ci ont en commun? L'invention de chacun s'est inspirée de la nature. Le velcro imite la capacité de la bavure de bardane à s'attacher aux vêtements. Les oiseaux en vol ont motivé le développement éventuel des avions. Les chauves-souris utilisent l'écholocation pour naviguer, fournissant l'inspiration pour le sonar.

Au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), le spécialiste des matériaux Chun-Long Chen s'intéresse également aux modèles trouvés dans la nature, mais à une échelle beaucoup plus petite. Chen s'inspire des structures moléculaires trouvées dans la nature; principalement à partir des éléments constitutifs des protéines, appelés peptides. Il crée des peptoïdes à séquence définie, des molécules synthétiques semblables à des protéines qui sont plus robustes que les blocs de construction naturels, pour développer des nanomatériaux biomimétiques dotés de fonctions uniques.

Ces nanomatériaux bio-inspirés sont prometteurs dans une grande variété d'applications, de l'administration de médicaments au photovoltaïque. En tant que leader émergent de l'auto-assemblage moléculaire, Chen, avec plusieurs de ses anciens stagiaires, a récemment écrit un article de synthèse pour un prochain numéro spécial de Chemical Reviews . Cet article couvre l'état de l'art des nanomatériaux hiérarchiques assemblés à partir de polymères synthétiques à séquence définie. Grâce à cette revue, les auteurs espèrent encourager d'autres personnes dans des domaines connexes à explorer la conception de nanomatériaux biomimétiques pour des applications énergétiques, biomédicales et environnementales avancées.

"Je suis très inspiré par les réalisations de Chun-Long dans ce domaine, et je crois vraiment qu'il n'en est qu'au début de la découverte de toutes sortes de nouvelles applications pour les nanostructures peptoïdes biomimétiques", a déclaré l'ancien mentor et inventeur de peptoïdes de Chen, Ronald Zuckermann, de Lawrence Berkeley. Laboratoire national (LBNL). « Ses recherches ouvrent une toute nouvelle ère de la nanoscience biomimétique, où nous pouvons manipuler des nanomatériaux synthétiques avec une précision atomique pour résoudre des problèmes de reconnaissance moléculaire, de catalyse et de thérapeutique.

De grandes applications pour des matériaux minuscules

Les propres recherches de Chen se concentrent sur le développement de peptoïdes définis par séquence pour imiter les protéines naturelles pour la cristallisation biomimétique et l'assemblage de matériaux biomimétiques. Les structures formées par ces molécules auto-assemblées présentent des propriétés supérieures à celles des molécules individuelles. Les protéines, par exemple, contiennent plusieurs couches de structures. Les acides aminés sont réunis pour former des molécules peptidiques qui constituent la protéine. Les peptides se replient pour former la structure 3D qui confère à la protéine sa fonction. Et au niveau suivant, plusieurs protéines peuvent se réunir pour former des complexes pour des fonctions uniques au-delà des capacités des protéines individuelles.

"Créer des polymères synthétiques qui s'auto-assemblent en nanomatériaux hiérarchiques comme des macromolécules naturelles est très excitant, mais le domaine est encore relativement nouveau", a déclaré Chen. "A travers cette revue, nous voulions mettre en évidence certaines des avancées réalisées vers l'auto-assemblage moléculaire de ces polymères synthétiques à séquence définie. Nous voulions également discuter des applications potentielles de leurs matériaux hiérarchiques auto-assemblés dans les sciences biomédicales et les énergies renouvelables. "

Les possibilités sont infinies pour ces différentes fonctions. Jusqu'à présent, ces matériaux fonctionnels bio-inspirés se sont révélés prometteurs dans l'administration de médicaments, la détection moléculaire, la thérapie photodynamique, la décontamination de l'eau, etc.

"Les protéines contiennent beaucoup d'informations. Leurs séquences d'acides aminés dictent leur structure et leur fonction dans notre corps. Les peptoïdes que nous synthétisons prennent cette idée d'utiliser des séquences pour programmer ces molécules pour différentes fonctions", a déclaré Chen.

"En principe, nous pouvons utiliser les peptoïdes comme plate-forme de blocs de construction programmables et les assembler comme des LEGO pour construire des matériaux hiérarchiques à haute teneur en informations avec une programmabilité et une prévisibilité élevées pour répondre à nos besoins. Le défi consiste à mieux comprendre ces prédictions grâce à une attention particulière. étude de nos succès et de nos échecs", a déclaré Chen.

Ouvrir une nouvelle voie pour les nanomatériaux hiérarchiques

Les nanomatériaux créés par Chen sont notoirement imprévisibles. Il est difficile de synthétiser des matériaux capables de remplir des fonctions spécifiques. Chen, cependant, n'est pas étranger à surmonter de tels défis. En tant qu'étudiant diplômé à l'Université Sun Yat-Sen en Chine, Chen a commencé à étudier la conception et l'assemblage de molécules dans des structures supramoléculaires. Cela a ouvert la voie à son travail en tant qu'associé de recherche postdoctoral à la Mississippi State University, à l'Université de Pittsburgh et à LBNL, où il a travaillé avec Zuckermann.

Chen a finalement été recruté au PNNL, où il dirige la conception de peptoïdes définis par séquence capables de s'auto-assembler.

"Il y a eu beaucoup d'essais et d'erreurs non seulement pour créer les molécules elles-mêmes, mais aussi pour s'assurer qu'elles pouvaient former les structures plus grandes que nous voulions", a déclaré Chen.

Lui et son équipe ont initialement entrepris de créer des molécules pour des applications biomédicales telles que l'administration de médicaments et l'imagerie biologique. Bientôt, ils ont étendu leurs recherches à un large éventail d'applications, notamment la décontamination de l'eau et la recherche sur les batteries.

Le mentorat est important

"C'est un grand honneur pour notre groupe de faire partie de ce numéro spécial "Molecular Self-Assembly" dans Chemical Reviews et pour moi d'être invité à écrire une revue approfondie dans le domaine de l'auto-assemblage moléculaire de polymères synthétiques à séquence définie ", a déclaré Chen. "C'est une grande reconnaissance de nombreuses années de travail acharné dans ce domaine, y compris nos contributions du PNNL."

Après avoir reçu cette invitation, Chen a immédiatement réuni une équipe composée de deux de ses anciens post-doctorants, Zhiliang Li et Bin Cai, tous deux maintenant professeurs à l'Université du Shandong, et d'un étudiant diplômé invité :Wenchao Yang, un étudiant diplômé de l'Université de Tianjin. Les trois ont travaillé avec Chen en tant que co-auteurs pour décrire l'état actuel de l'art dans l'auto-assemblage moléculaire de peptoïdes et d'autres polymères à séquence définie en nanomatériaux hiérarchiques et leurs applications potentielles dans l'énergie et la biomédecine.

"En travaillant avec Chun-Long, j'ai acquis des connaissances précieuses dans le domaine de la biochimie, telles que la conception et la synthèse de biomolécules, la synthèse organique et l'auto-assemblage moléculaire", a déclaré Bin Cai, un ancien chercheur postdoctoral du groupe de Chen au PNNL. "De plus, sa perspicacité scientifique et son attitude optimiste ont grandement influencé et façonné l'orientation de ma carrière. Plus précisément, ce que j'ai appris de lui, c'est comment me concentrer :comment me concentrer sur un problème scientifique important et élaborer plusieurs plans pour y parvenir." + Explorer plus loin

Les chercheurs utilisent une nouvelle approche pour assembler des peptoïdes sur une surface solide