Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD

Nanostora Käkar kan leda till mer kraftfulla sensorer och diagnostiska verktyg

Published on July 21, 2008 at 2:11 PM

Berkeley Lab forskare har utvecklat en nanostora syntetisk polymer bunt som kan vikas på mitten och fälla en zink-molekyl mellan sina käkar, ett första i sitt slag bedrift som efterliknar hur proteiner bedriva livets vitala funktioner.

En mer protein-liknande syntetisk struktur. Forskare har skapat en nanostora polymer bunt som mål zink, en utveckling som öppnar dörren för mer robust och längre livslängd sensorer och läkemedel. I detta schema, en peptoid två-helix bundle klämmor stängt på en zink molekyl, i lila, låsning molekylen på plats.

Forskarnas framgångar i lirka protein-liknande funktion från en syntetisk polymer är ett första steg mot att utveckla nanostrukturer som kombinerar precision av proteiner med robusthet av icke-naturliga material. Även om mycket primitiva av naturens normer, kan deras polymer bunt leda till mycket exakt sensorer som kan arbeta i tuffa miljöer, eller sjukdom inriktning läkemedel som varar mycket längre än dagens terapier.

"Vi använder naturen som vår guide för att utveckla funktionella, stabila nanostrukturer", sa Ron Zuckermann, som är Facility chef för biologiska nanostrukturer Facility i Berkeley Lab molekylär Foundry. Zuckermann utvecklat vikbara polymeren bunt med Byoung-Chul Lee och Tammy Chu av Lab Materials Sciences Division, och Ken Dill av Lab fysiska Biosciences Division och University of California i San Francisco, där han är professor i läkemedelskemi.

"Vi har en lång väg att gå, men det slutgiltiga målet är att göra användbara nanostrukturerade material som kan fungera över ett brett spektrum av förhållanden", säger Zuckermann.

Det är ingen överraskning att Zuckermann och kollegor arbetar med att efterlikna proteiner. Miljontals år av evolution har genomsyrad dem med oöverträffad molekylär igenkänning och förmåga katalys. Proteiner har en förmåga att selektivt binda med ett - och endast en - typ av molekyl. De inleder också otroligt exakta kemiska omvandlingar, som att skära en DNA-sträng i precis rätt ställe. Om forskarna kan utnyttja detta laserliknande inriktning förmåga, de har förutsättningar att bli ett oerhört kraftfullt sätt att angripa sjukdomen och upptäcka föreningar.

Men det finns en hake. Vilka proteiner skryta i precision, de saknar i robusthet och stabilitet. De är begränsade till smala temperatur-och syra. De kräver en vattnig lösning. Och de försämras med tiden. Dessa nackdelar begränsa deras nytta. Forskare använder redan proteiner för att rikta sjukdomar på molekylär skala, men att proteinerna bryts ner med tiden, minska deras effektivitet. På samma sätt skulle en protein-baserad sensor oöverträffade på sniffa ut skadliga föroreningar, men det skulle inte kunna fungera i varma, kalla eller torra förhållanden.

"Vårt mål är att ta proteiner" katalys och molekylär-erkännande kapacitet och lägga till dem i ett material som är mer robust och mindre benägna att försämras ", säger Zuckermann. "Proteiner är just vikta linjär polymer kedjor av aminosyror. Så vi tänkte, varför inte göra en liknande polymerkedja genom att länka samman icke-naturliga aminosyror? "

Konkret arbetar hans forskargrupp med ett protein-liknande kedja av polymerer kallas peptoid. Peptoids är syntetiska strukturer som efterliknar peptider, som naturen använder för att bilda komplexa proteiner. Istället för att använda peptider för att bygga proteiner är dock Zuckermann team strävar efter att använda peptoids att bygga syntetiska strukturer som beter sig som proteiner.

Deras första plundringståg är lovande. I tidigare arbete, de hederliga peptoids, placeras ett försiktigt monomer i taget, till en av naturens mest användbara byggstenar: en spiralformad struktur. De kopplas också två helix strukturer tillsammans med en ostrukturerad segment i mitten. Och de kunde lägga den här två-helix bundle på mitten, härma en förändring i form att proteiner använder för att utföra arbetet.

Men strukturen inte kunde göra några av de tricks som proteiner kan, som rikta en molekyl. För att ge det denna funktion som forskarna ut för att binda zink. De valde zink eftersom metallen driver många grundläggande biologiska processer, såsom DNA-erkännande. Om de kunde få peptoid-baserade spiralformade bundle för att fånga zink, då skulle de ha lyckats härmade en arbetshäst uppgift utförs av proteiner.

För att göra detta språng, utvecklade de spiralformade buntar med zink-bindande restprodukter som just är placerade i båda ändar. De lade också fluorescerande taggar i båda ändar, vilket får forskarna att mäta när buntar vik på mitten, att fånga de zink på plats. Systemet fungerade: i vissa fall fångade buntar zink som en stål fälla. Forskarna varierade position och antalet zink-bindande rester, pyssla strukturen så att det lättare snaror zink.

"Det är ett lagarbete. Bindande zink måste medverka till både helixar och zink stabiliserar gånger, fast låsa den på plats ", säger Zuckermann. "Detta är en triumf för kemister att försöka härma naturen. Det är ett första steg mot att kunna lägga till biologiska funktioner, som t.ex. molekylär igenkänning och katalys, till en icke-naturlig vikta polymera material. "

I framtiden Zuckermann och kollegor hoppas kunna bygga mer komplexa strukturer med hjälp av tre helixar, vilket skulle ge en mycket stabilare gånger än två helixar. Forskarnas Forskningen beskrivs i en studie med titeln "Biomimetiska nanostrukturer: Skapa en hög affinitet Zink-bindningsställe i en Vikta Nonbiological Polymer" som rapporterades i 9 jul 2008 frågan om Journal of American Chemical Society. Forskningen stöddes delvis av Department of Energy.

Last Update: 25. October 2011 12:23

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