Tutkijat luovat uutta ohutta materiaalia, joka jäljittelee solukalvoja

Kent Hovind - Seminar 1 - The Age of The Earth [MULTISUBS] (Saattaa 2019).

Anonim

Materiaalit tutkijat ovat luoneet uuden materiaalin, joka toimii luonnossa esiintyvänä solukalvona. Tällaista materiaalia on jo pitkään haettu sovelluksille, jotka ovat erilaisia ​​kuin vedenpuhdistus ja lääkeaineiden luovutus.

Viitattu lipidipitoiseksi peptoidiksi (pakkaamme pakkauksen toisella kerralla), materiaali voi koota itseään ohuemmaksi, mutta stabiilemmaksi kuin saippualla, tutkijat kertovat 12. heinäkuuta Nature Communicationsissa. Kokoonpantu arkki kestää veden upottamista erilaisiin nesteisiin ja voi jopa korjata itsensä vaurion jälkeen.

"Luonto on hyvin älykäs, tutkijat yrittävät tehdä biomimeettisiä kalvoja, jotka ovat vakaita ja joilla on tiettyjä solukalvojen haluttuja ominaisuuksia", sanoi Chun-Long Chenin energiajohtaja Pacific Northwest National Laboratory. "Me uskomme, että näillä materiaaleilla on potentiaalia veden suodattimissa, antureissa, lääkeaineiden jakelussa ja erityisesti polttokennoissa tai muissa energiasovelluksissa."

Hämmästyttävä kalvo

Solukalvot ovat hämmästyttäviä materiaaleja. Valmistettu ohuista rasvamolekyyleistä, joita kutsutaan lipideiksi, ne ovat vähintään kymmenkertaisia ​​ohuempia kuin iristava saippuakupla ja sallivat solujen muodostaa yhdessä erilaisia ​​bakteereja, puita ja ihmisiä.

Solukalvot ovat hyvin selektiivisiä siitä, mitä he antavat päästää läpi, käyttäen pieniä sisäänrakennettuja proteiineja portinvartijoina. Kalvot korjataan automaattisesti niiden rakenteeseen ja muutetaan paksuutta siirtääkseen signaalin ulkopuolisesta ympäristöstä solun sisätilaan, jossa suurin osa toiminnasta on.

Tutkijat haluavat hyödyntää membraaniominaisuuksia, kuten varastokäyntiä suodattimien tai signaloinnin tekemiseksi antureiden tekemiseksi. Solukalvon kaltaisella materiaalilla olisi etuja verrattuna muihin ohuisiin materiaaleihin, kuten grafeeniin. Esimerkiksi jäljittelevä solukalvon tehokas varastointi voi johtaa vedenpuhdistuskalvoja, jotka eivät vaadi paljon painetta tai energiaa työntämään vettä läpi.

Synteettiset molekyylit, joita kutsutaan peptoideiksi, ovat saaneet tutkijoiden kiinnostuksen, koska ne ovat halpoja, monipuolisia ja muokattavissa. Ne ovat kuin luonnolliset proteiinit, mukaan lukien ne, jotka upotetaan solukalvoihin, ja ne voidaan suunnitella hyvin erityisiksi muodoiksi ja toiminnoiksi. Joten Chen ja kollegat päättivät nähdä, voisivatko suunnitella peptoideja tekemään heistä enemmän lipidejä.

Kalvojen suunnittelu

Lipidimolekyylit ovat pitkiä ja enimmäkseen suoria: niillä on rasvapää, joka mieluummin ryntää muiden rasvojen kanssa, ja vesimainen pää, joka suosii veden mukavuutta. Tämän kemian vuoksi lipidimolekyylit järjestäytyvät toisiinsa kohdistuvien rasvaisten päiden kesken, jotka on sijoitettu vedenpitävien päiden kesken. Tutkijat kutsuvat tämän lipidikaksoisainetta, joka on olennaisesti arkki, joka ympäröi solun sisällön. Proteiinit tai hiilihydraattimolekyylit upotetaan kalvoon.

Inspiraationa tämä, Chen ja kollegat suunnittelivat peptoideja, joissa jokainen pohja peptoidi oli pitkä molekyyli, jonka toinen pää oli vettä rakastava ja toinen pää rasvaa rakastava. He valitsivat kemialliset ominaisuudet, joita he toivovat kannustavan yksittäisten molekyylien pakkaamista yhteen. He tutkivat tuloksena olevia rakenteita käyttäen erilaisia ​​analyysimenetelmiä, joista osa kuului Advanced Light Source ja Molecular Foundry, kaksi DOE Office of Science -ohjelmaa Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa.

Joukkue totesi, että kun lipidipitoiset peptoidit asetettiin nestemäiseksi liuokseksi, molekyylit spontaanisti kiteytyivät ja muodostivat sen, mitä tiedemiehet kutsuvat nanomembraaneiksi suoriksi reunoiksi, ohuiksi kuin solukalvot. Nämä nanomembraanit säilyttivät rakenteensa vedessä tai alkoholissa erilaisissa lämpötiloissa, liuoksissa, joissa oli korkea tai matala pH tai suuret suolapitoisuudet, mikä on harvoin solukalvojen suorituskyky.

Näkymä keskeltä

Nanomembraaneja ymmärrettäessä tiimi simuloi yksittäisten peptoidimolekyylien vuorovaikutusta toisiinsa käyttäen molekyylidynamiikkaohjelmistoa. Simuloidut peptoidit muodostivat kalvon, joka muistuttaa lipidikaksoiskerrosta: rasvaisia ​​päitä on keskellä keskellä, ja niiden vesirakentavat päät näkyvät ulospäin joko ylä- tai alapuolella.

Tutkiakseen, olivatko niiden synteettiset kalvot solumembraanien signalointikykyä, tutkijat lisäsivät natriumkloridisuolaa. Suola on mukana viimeisessä vaiheessa useissa signalointisekvensseissä ja aiheuttaa todellisten solumembraanien sakeutumista. Ja paksuuntuvat peptoidit tekivät. Mitä enemmän suolaa tutkijat lisäsivät, sitä paksummat nanomembraanit muuttuivat ja saavuttivat noin 125 prosenttia alkuperäisestä paksuudestaan ​​testatun suolapitoisuuden alueella.

Todellisilla kalvoilla on myös proteiineja, joilla on erityisiä toimintoja, kuten sellaisia, jotka antavat vettä ja vain vettä läpi. Chenin ryhmä testasi peptoidien kykyä tehdä niin tuomalla erilaisia ​​sivuketjuja. Sivuketjut ovat olennaisesti pieniä molekyylejä, joilla on erilaiset muodot, koot ja kemialliset ominaisuudet, jotka kiinnittyvät pidempiin lipidipitoisiin peptoideihin. He yrittivät kokeilla 10 erilaista mallia. Kussakin tapauksessa peptoidit koottiin nanomembraaneihin, kun ydinrakenne pysyi ehjänä. Tiimi voi myös rakentaa hiilihydraattia nanomembraaneiksi, mikä osoittaa, että materiaali voi olla suunniteltu monipuolisiin toimintoihin.

Joukkue sitten testasi nanomembraaneja selvittääkseen, pystyisivätkö ne korjaamaan itseään, mikä on hyödyllinen ominaisuus kalvoille, jotka saattavat naarmuuntua käytön aikana. Leikkaamalla rakoja membraanissa ne lisäsivät enemmän lipidipitoista peptoidia. Mikroskoopilla katsottiin muutaman tunnin kuluttua, naarmut, jotka olivat täynnä enemmän peptoideja ja nanomembraani, saatiin jälleen valmiiksi. (Vertaa tätä paperin leikkauksiin, jotka eivät korjaa itseään itsestään, vaikka se olisi nauhoitettu.)

Yhdessä tulokset osoittivat tutkijat, että he ovat oikealla tiellä synteettisten solumembraanien kaltaisten materiaalien valmistamiseen. Sovelluksissa on kuitenkin vielä joitain haasteita. Esimerkiksi tutkijat haluavat paremmin ymmärtää, miten membraanit muodostavat niin, että ne voivat tehdä monia toivottavia kokoja.

Seuraava vaihe, Chen sanoi, on rakentaa biomimeettisiä kalvoja sisällyttämällä luonnolliset kalvoproteiinit tai muut synteettiset vesikanavat, kuten hiilinanoputket näihin arkkimatriiseihin. Tiimi tutkii myös tapoja, joilla peptoidikalvot johtavat energiankäyttöön.

menu
menu