Nanomaterialen synthetiseren uit de blauwdrukken van de natuur

klittenband. vliegtuigen. Sonar. Wat hebben deze gemeen? De uitvinding van elk was geïnspireerd door de natuur. Klittenband bootst het vermogen van kliswortel na om zich aan kleding te hechten. Vogels tijdens de vlucht motiveerden de uiteindelijke ontwikkeling van vliegtuigen. Vleermuizen gebruiken echolocatie om te navigeren en vormen de inspiratie voor sonar.

Bij Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) is materiaalwetenschapper Chun-Long Chen ook geïnteresseerd in de modellen die in de natuur worden gevonden, maar op veel kleinere schaal. Chen haalt zijn inspiratie uit moleculaire structuren die in de natuur worden gevonden; voornamelijk uit de bouwstenen van eiwitten, peptiden genaamd. Hij maakt sequentiegedefinieerde peptoïden – synthetische eiwitachtige moleculen die robuuster zijn dan natuurlijke bouwstenen – om biomimetische nanomaterialen met unieke functies te ontwikkelen.

Deze bio-geïnspireerde nanomaterialen zijn veelbelovend in een breed scala aan toepassingen, van medicijnafgifte tot fotovoltaïsche energie. Als een opkomende leider in moleculaire zelfassemblage, schreef Chen, samen met een aantal van zijn voormalige stagiairs, onlangs een overzichtsartikel voor een aanstaande speciale uitgave van Chemische beoordelingen. Dit artikel behandelt de stand van de techniek in hiërarchische nanomaterialen die zijn samengesteld uit sequentiegedefinieerde synthetische polymeren. Door deze recensie hopen de auteurs anderen op verwante gebieden aan te moedigen om het ontwerp van biomimetische nanomaterialen voor geavanceerde energie-, biomedische en milieutoepassingen te verkennen.

“Ik ben erg geïnspireerd door de prestaties van Chun-Long op dit gebied, en ik geloof echt dat hij nog maar aan het begin staat van het ontdekken van allerlei nieuwe toepassingen voor biomimetische peptoïde nanostructuren”, zegt Chen’s voormalige mentor en peptoïde uitvinder Ronald Zuckermann van Lawrence Berkeley. Nationaal Laboratorium (LBNL). “Zijn onderzoek opent een heel nieuw tijdperk van biomimetische nanowetenschap, waar we synthetische nanomaterialen met atomaire precisie kunnen manipuleren om problemen op te lossen in moleculaire herkenning, katalyse en therapie.”

Grote toepassingen voor kleine materialen

Chen’s eigen onderzoek richt zich op het ontwikkelen van sequentiegedefinieerde peptoïden om natuurlijke eiwitten na te bootsen voor zowel biomimetische kristallisatie als assemblage van biomimetische materialen. De structuren gevormd door deze zelfassemblerende moleculen vertonen eigenschappen die groter zijn dan die van de individuele moleculen. Eiwitten bevatten bijvoorbeeld meerdere lagen van structuren. Aminozuren worden samengevoegd om peptidemoleculen te vormen die het eiwit vormen. Peptiden vouwen om de 3D-structuur te vormen die het eiwit zijn functie geeft. En op het volgende niveau kunnen meerdere eiwitten samenkomen om complexen te vormen voor unieke functies die de mogelijkheden van de individuele eiwitten te boven gaan.

“Het creëren van synthetische polymeren die zichzelf assembleren tot hiërarchische nanomaterialen zoals natuurlijke macromoleculen is erg spannend, maar het veld is nog relatief nieuw”, zegt Chen. “Door deze review wilden we enkele van de vorderingen benadrukken die zijn geboekt in de richting van de moleculaire zelfassemblage van deze sequentie-gedefinieerde synthetische polymeren. We wilden ook de mogelijke toepassingen bespreken van hun zelf-geassembleerde hiërarchische materialen in de biomedische wetenschappen en hernieuwbare energie. “

De mogelijkheden voor deze verschillende functies zijn eindeloos. Tot dusver zijn deze bio-geïnspireerde functionele materialen veelbelovend gebleken voor medicijnafgifte, moleculaire detectie, fotodynamische therapie, waterontsmetting en meer.

“Eiwitten bevatten veel informatie. Hun aminozuursequenties dicteren hun structuur en functie in ons lichaam. De peptoïden die we synthetiseren gebruiken het idee om sequenties te gebruiken om deze moleculen voor verschillende functies te programmeren,” zei Chen.

“In principe kunnen we peptoïden gebruiken als een platform van programmeerbare bouwstenen en ze als LEGO’s samenstellen om hiërarchische materialen met een hoge informatie-inhoud te bouwen met een hoge programmeerbaarheid en voorspelbaarheid om aan onze behoeften te voldoen. De uitdaging is om het inzicht voor deze voorspellingen te verkrijgen door zorgvuldige studie van onze successen en mislukkingen,” zei Chen.

Een nieuwe weg inslaan voor hiërarchische nanomaterialen

De nanomaterialen die Chen maakt, zijn notoir onvoorspelbaar. Het is moeilijk om materialen te synthetiseren die bepaalde functies kunnen vervullen. Chen is echter geen onbekende in het overwinnen van dergelijke uitdagingen. Als afgestudeerde student aan de Sun Yat-Sen Universiteit in China begon Chen het ontwerp en de assemblage van moleculen tot supramoleculaire structuren te onderzoeken. Dit maakte de weg vrij voor zijn werk als postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de Mississippi State University, de University of Pittsburgh en LBNL, waar hij samenwerkte met Zuckermann.

Chen werd uiteindelijk gerekruteerd voor PNNL, waar hij het voortouw neemt bij het ontwerp van sequentiegedefinieerde peptoïden die in staat zijn tot zelfassemblage.

“Er was veel vallen en opstaan, niet alleen om de moleculen zelf te maken, maar ook om ervoor te zorgen dat ze de grotere structuren konden vormen die we wilden,” zei Chen.

Hij en zijn team wilden aanvankelijk moleculen maken voor biomedische toepassingen zoals medicijnafgifte en biologische beeldvorming. Al snel breidden ze hun onderzoek uit naar een breed scala aan toepassingen, waaronder waterzuivering en batterijonderzoek.

Mentorschap is belangrijk

“Het is een grote eer voor onze groep om deel uit te maken van dit speciale nummer ‘Molecular Self-Assembly’ in Chemische beoordelingen en voor mij om uitgenodigd te worden om een ​​uitgebreide recensie te schrijven op het gebied van moleculaire zelfassemblage van sequentie-gedefinieerde synthetische polymeren,” zei Chen. “Dit is een grote erkenning van vele jaren hard werk op dit gebied, inclusief onze bijdragen van PNNL.”

Na deze uitnodiging te hebben ontvangen, stelde Chen onmiddellijk een team samen bestaande uit twee van zijn voormalige postdocs, Zhiliang Li en Bin Cai, beiden nu professor aan de Shandong University, en een gaststudent: Wenchao Yang, een afgestudeerde student van de Tianjin University. De drie werkten samen met Chen als co-auteurs om de huidige stand van de techniek te schetsen in de moleculaire zelfassemblage van peptoïden en andere sequentie-gedefinieerde polymeren in hiërarchische nanomaterialen en hun potentiële toepassingen in energie en biogeneeskunde.

“Tijdens het werken met Chun-Long heb ik waardevolle kennis opgedaan op het gebied van biochemie, zoals ontwerp en synthese van biomoleculen, organische synthese en moleculaire zelfassemblage”, zegt Bin Cai, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in Chen’s groep bij PNNL. “Bovendien hebben zijn wetenschappelijke inzicht en optimistische houding een grote invloed gehad op en vorm gegeven aan mijn loopbaanrichting. Wat ik van hem heb geleerd, is met name hoe ik me moet concentreren: hoe je je kunt concentreren op één belangrijk wetenschappelijk probleem en verschillende plannen kunt maken om dit te bereiken.”