Onderzoekers creëren nanoclusters die biomoleculen nabootsen

Biologische systemen zijn er in alle soorten, maten en structuren. Sommige van deze structuren, zoals die in DNA, RNA en eiwitten, worden gevormd door complexe moleculaire interacties die niet gemakkelijk worden gedupliceerd door anorganische materialen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Richard Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering, ontdekte een manier om clusters van kopermoleculen op nanoschaal te binden en te stapelen die deze complexe biosysteemstructuren op verschillende lengteschalen zelf kunnen assembleren en nabootsen. De clusters bieden een platform voor het ontwikkelen van nieuwe katalytische eigenschappen die verder gaan dan wat traditionele materialen te bieden hebben.

De nanocluster-kern is verbonden met twee koperen doppen die zijn voorzien van speciale bindende moleculen, bekend als liganden, die onder een hoek staan ​​als propellerbladen.

De paper van het team, “Tertiaire Hierarchical Complexity in Assemblies of Sulphur-Bridged Metal Chiral Clusters”, gepubliceerd op 27 juli in de Tijdschrift van de American Chemical Society.

“Alleen al het kunnen maken van anorganische clusters en het nauwkeurig lokaliseren van de atomaire posities is een relatief nieuw gebied, omdat anorganische clusters niet gemakkelijk samenkomen tot georganiseerde kristallen zoals organische moleculen doen. Toen we deze lieten assembleren, ontdekten we dat dit vreemd was. , een hiërarchische organisatie die volkomen onverwacht was ”, aldus Robinson, de senior auteur van het artikel. “Dit werk zou een fundamenteel begrip kunnen verschaffen van hoe biosystemen zoals eiwitten zichzelf assembleren om een ​​secundaire structurele organisatie te creëren, en het geeft ons de kans om iets te creëren dat een natuurlijk levend systeem zou kunnen imiteren.”

De nanoclusters hebben drie organisatieniveaus met een in elkaar grijpend, chiraal ontwerp. Twee koperen doppen zijn voorzien van speciale bindende moleculen, bekend als liganden, die onder een hoek staan ​​als propellerbladen, waarbij de ene set met de klok mee kantelt en de andere tegen de klok in (of links- en rechtshandig), allemaal verbonden met een kern. De koperclusters zijn overbrugd met zwavel en hebben een gemengde oxidatietoestand, waardoor ze actiever worden bij chemische reacties.

De flexibele, adaptieve aard van de clusters maakt ze potentiële kandidaten voor metabolische en enzymatische processen, en versnelt chemische reacties door middel van katalyse. Ze kunnen bijvoorbeeld kooldioxide reduceren tot alcoholen en koolwaterstoffen.

“We willen katalytische materialen ontwikkelen met eigenschappen die natuurlijke enzymen nabootsen”, zegt co-auteur Jin Suntivich, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering. “Omdat ons cluster slechts 13 koperatomen heeft, is de afstembaarheid beter controleerbaar dan een nanodeeltje met honderden of duizenden atomen. Met dit hogere controleniveau kunnen we nadenken over het op een systematische manier bouwen van de clusters. Dit kan helpen onthullen hoe elk atoom neemt deel aan reacties en hoe rationeel een betere te ontwerpen. We zien het als een brug naar enzymen, waar de atomen op een precieze manier worden geassembleerd om zeer selectieve katalyse mogelijk te maken. “

Radicale samenwerking

Terwijl andere anorganische clusters de neiging hebben elektronen te verwisselen en hun eigenschappen te veranderen bij blootstelling aan zuurstof, stabiliseren de liganden de nanocluster over langere en langere levenscycli, waardoor deze betrouwbaar luchtstabiel wordt. En omdat de liganden sterke elektronengeleiders zijn, kunnen de clusters nuttig zijn in organische elektronica, kwantumcomputers en licht-optische schakelaars.

De groep van Robinson onderzoekt nu dezelfde hiërarchie met drie niveaus met andere metalen.

“Materiaalwetenschappers en scheikundigen hebben geprobeerd deze complexe hiërarchische structuren in het laboratorium na te bootsen, en we denken dat we eindelijk iets hebben dat niemand anders heeft gezien, en waar we op kunnen bouwen voor toekomstig onderzoek”, zei Robinson.