Nature-geïnspireerde nanocage dient als gouden nanodeeltjesreactor

Onderzoekers onder leiding van professor Yi-Tsu Chan aan de National Taiwan University hebben een gigantische moleculaire kooi gemaakt die de geneste structuren van Nature nabootsen. Dit gelaagde nanocage is opmerkelijk stabiel en kan dienen als een miniatuurreactor voor het produceren van gouden nanodeeltjes.

Geneste structuren – waar de ene architectuur binnen de andere is omsloten – zijn gebruikelijk van aard, van de beschermende schelpen van virussen tot de gecompartimenteerde organisatie van levende cellen. Met deze geavanceerde ontwerpen kunnen biologische systemen meerdere functies uitvoeren binnen beperkte ruimtes. Toch is het reproduceren van een dergelijke complexiteit op moleculair niveau in het laboratorium een ​​formidabele uitdaging gebleven.

Een onderzoeksteam aan de National Taiwan University, geleid door professor Yi-Tsu Chan, heeft nu een belangrijke stap vooruit gezet door een nieuw type moleculaire bouwsteen te ontwerpen die zelf assemeert in een zeer stabiele, gelaagde kooi.

De resulterende nanocage heeft twee verschillende lagen: een binnenste octaëder ingekapseld in een buiten afgeknotte tetraëder. Samen vormen ze een gigantische supramoleculaire structuur die meer dan 44.000 Daltons wegen.

De studie is gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society.

De doorbraak werd mogelijk gemaakt door een complementair paar chemische “liganden” of connectoren te creëren die zich aan metaalionen bevestigen op een manier die zowel dynamisch als zeer selectief is. Dit ontwerp voorkomt ongewenste zijreacties en vergrendelt de structuur op zijn plaats, waardoor de nanocage uitzonderlijke stabiliteit gedurende langere perioden heeft.

Om de ingewikkelde structuur te bevestigen, combineerden de onderzoekers ultramoderne beeldvorming en analytische methoden, waaronder nucleaire magnetische resonantie met een hoog veld (NMR), kleine röntgenverstrooiing (SAXS), cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) en elektronische microscopie met hoge resolutie. Deze technieken gaven een gedetailleerd beeld van de architectuur tot het niveau van één molecuul.

Naast het opvallende structurele ontwerp toont het nanocage ook functioneel potentieel. Het holle interieur kan fungeren als een reactiekamer op nanoschaal. In één test genereerde het team met succes gouden nanodeeltjes in de holte, met zijn belofte als een kleine chemische reactor.

“Dit werk laat zien hoe zorgvuldig ontworpen moleculaire interacties kunnen leiden tot precieze en duurzame architecturen die de complexiteit van de natuur weerspiegelen. Wij geloven dat onze aanpak nieuwe kansen opent in geavanceerde materialen, nanotechnologie en katalyse”, zegt prof. Yi-Tsu Chan, overeenkomstige auteur van de studie.