Posted in | Nanomaterials

Forskere Oplev Bemærkelsesværdig Behavior udstillet af peptid Nanostrukturer

Published on April 9, 2010 at 3:04 AM

Eksperimenter kan undertiden føre til opdagelsen af ​​helt uventede fænomener. Dette er tilfældet med den bemærkelsesværdige adfærd, der udvises af peptid nanostrukturer (i form af supramolekylære filamenter) iagttaget under forsøg udført af forskere fra Northwestern University i beamline 5-ID af DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) synkrotronstråling Research Center ved US Department of Energy Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory .

En tegning viser et bundt af 10-nanometer-diameter peptid filamenter placeret i en sekskantet array. Lignende fænomener kan forekomme naturligt i cytoskeletons af celler, hornhinden i øjet, og andre områder af biologien. Indsatser (ved lavere højre) skildrer den molekylære struktur af de enkelte filamenter. (Billede venligst udlånt af SI Stupp.)

Ifølge professor Samuel Stupp, ledende forfatter af undersøgelsen for nylig blev offentliggjort i Science, mens "forsøger at belyse den hierarkiske organisering af peptid nanostrukturer" hans team opdagede, at når dispergeret i vand, kunne disse filamentforstærkninger nanostrukturer organisere sig i Hexagonal-pakkede bundter. Forskerne blev overraskede over at opdage, at ved tilstrækkeligt høje koncentrationer i opløsning, kunne filamenter spontant samle ind krystallinske strukturer (Hexagonal-pakkede bundter). Endnu mere overraskende var konstateringen af, at x-stråler bruges til at undersøge nanostrukturer også nogle gange udløst endeløse krystallisation. Dette arbejde kan påvirke vores forståelse af nanostrukturer i biologiske systemer og vores evne til at styre strukturen af ​​materialer.

Det glødetråde anvendes til denne forskning besad en diameter på omkring 10 nanometer og længder på rækkefølgen af ​​et tocifret antal mikrometer. De filamenter stammede fra en syntetisk molekyle, som indeholder en kort peptid sekvens. Peptider er forbindelser, der indeholder to eller flere aminosyrer. Her peptid sekvens bestod af seks alanin aminosyre molekyler bundet til tre glutaminsyre molekyler - forkortet Ala6Glu3 - som igen blev podet med en alkyl molekyle. Den resulterende "supramolecules" selv-samlet i vand til at danne filamenter.

En sekvens af eksperimenter var designet til at afsløre placeringen af ​​filamenter dispergeret i vand. Forskellige vandige koncentrationer af filamenter var placeret inde i små 2-mm-diameter kvarts kapillærer og studerede udnytte små-vinkel røntgen spredning (SAXS) på DND-CAT beamline. Koncentrationerne varierede fra 0,5 til 5 vægtprocent. De SAXS data viste, at alle koncentrationer af filamenter samlet i bundter udstiller en sekskantet emballage (se Fig. 1). Organiseringen af ​​filamenter til Hexagonal-pakkede bundter (dvs. krystallisering) er ganske bemærkelsesværdig. Men endnu mere bemærkelsesværdigt var den iagttagelse, at den højere koncentration af filamenter (2 og 5 vægt procent) spontant krystalliseret, mens den lavere koncentration løsninger (0,5 og 1 vægt procent) krystalliseret kun gennem x-ray eksponering.

Ifølge professor Stupp, den krystallisering af filamenter, enten ved selv-samling eller x-ray eksponering, fænomener, at "vi ikke har set før" i andre supramolekylære systemer udgør. Stupp også observeret, at "i at gøre forsøg på APS-synkrotron, blev vi overraskede over at opdage, at x-stråler kan fremme krystallisation."

Et fascinerende træk ved x-ray-induceret krystallisering var reversibilitet af processen, som faktisk var synlige. Ved hjælp af 1 vægtprocent løsning, en kumulativ 200 sekund af X-ray bestråling vendte den oprindeligt-gennemsigtig løsning uigennemsigtig, hvilket indikerer krystallisation. Efter x-ray ophør, langsomt løsningens opacitet faldt, indtil det stod klart igen inden for cirka 40 minutter, hvilket tyder på en tilbagevenden til uorden. En follow-up SAXS eksperiment udsat løsningen på en række 4-andet X-glimt. De eksperimentelle data viste, at de oprindeligt-uordnet fibre (afsløret af de første 4-sekunders eksponering) gradvist undergik en forandring til at Hexagonal-bestilte bundter af filamenter, som registreres i de sidste x-ray engagementer. Når eksperimentet blev gentaget to timer senere, den SAXS data afslørede filamenter blev igen forstyrret - den krystallinske struktur var forsvundet.

Forskerne undersøgte, om udefra kommende faktorer kan have bidraget til endeløse bestilling. Intens x-stråler kan oprette nye kemiske forbindelser inden for en løsning på grund af ionisering, samt producere subtil opvarmning. Men efterfølgende test af trådede løsninger, viste, at hverken uønskede kemiske arter, og heller ikke termiske effekter, havde spillet en rolle i enten spontant eller x-ray-udløst krystalliseringer.

Hvad angår den grundlæggende mekanisme ansvarlig for krystallisering, forestiller forskerne, at den langsigtede stabilitet af den krystallinske domæner er en balance mellem to modsatrettede spændinger: elektriske ladninger bopæl på filamenter (enten native eller fremkaldt af x-ray bestråling) har tendens til at skubbe trådformede bundter fra hinanden, mens en fastlåsning af filamenter inden for de større netværk fører til en aktiv mekanisk kompression.

Eksperimentelle data viste, at så endeløse koncentration voksede, antallet af fibre i bundter steget så godt, indtil en kritisk koncentration af filamenter resulterede i deres spontane sekskantede arrangement i bundter (dvs. krystallisation). På den anden side, lavere filamentforstærkninger koncentrationer - ude af stand til spontant krystallisere - kunne kun gøre det, når x-stråler øget ladningstætheden på filamenter 'overflade og derved ændre balancen i inter-endeløse kræfter til fordel for krystallisering.

Den samme mekanisme, der skabte deres menneskeskabte krystallinsk trådede netværk kan meget vel være på arbejde i biologiske celler, hvilket fører Prof. Stupp at konstatere, at "denne forskning kan hjælpe os med at forstå organiseringen af ​​nanostrukturer i biologiske systemer, og kan også få ansøgninger i kontrollen strukturen af ​​materialer. "

Yderligere oplysninger: Honggang Cui, E. Thomas Pashuck, Yuri S. Velichko, Steven J. Weigand, Andrew G. Cheetham, Christina J. Newcomb, og Samuel I. Stupp, "Spontan og X-ray-udløst krystalliseringsprocessen at Long Range i selvsamlende Filament Networks, "Videnskab 327, 555 (29. januar 2010). DOI: 10.1126/science.1182340

Last Update: 3. October 2011 01:56

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit