В сообщении в Angewandte Chemie International Edition от 14 марта исследователи раскрывают метод производства полимеров, которые имитируют белки по универсальности их сырых ингредиентов и как эти ингредиенты соединяются вместе, образуя более крупную структуру.«Белки представляют собой полимеры с определенной последовательностью и обладают целым рядом прекрасных функций», — сказал материаловед Джей Грейт из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Но природные материалы нестабильны. Это хорошо для природы, но если мы хотим стабильные, долговечные материалы, нам нужно создавать наши собственные полимеры с заданной последовательностью».Материал жизни
Белки составляют основу жизни: в живых существах они архитекторы и инженеры. Это гаечные ключи и машины, которые строят различные части организма, создавая эти части из других белков самых разных размеров и форм. Они образуют электростанции в клетках, управляют растениями, производят энергию и накапливают энергию.
Они заставляют вещи расти, а также являются кирпичиками роста.Из-за своей универсальности белки являются одними из любимых инструментов исследователей. Многие лекарства представляют собой модифицированные белки, такие как преобразованные антитела (например, лекарства, названия которых заканчиваются на -mab). Проблема, однако, в том, что белки также недолговечны.
Природа создала их временными и пригодными для вторичной переработки. Любая среда, в которой находятся белки, полна вещей, часто других белков, которые их расщепляют.Один из способов обойти этих мясников — создать материал, который ведет себя как белки, но на самом деле не является белком. С этой целью исследователи ищут материалы, имитирующие строительные блоки белков — аминокислоты.
Аминокислоты придают белкам огромное разнообразие и универсальность.Именно этим качествам пытаются подражать исследователи пластиковых белков.
Аминокислоты бывают около 20 разновидностей. Каждый из них имеет одну и ту же основу, от которой отходит группа атомов, называемая боковой цепью, которая придает аминокислоте ее особую химическую характеристику.
Аминокислотные скелеты соединяются вместе, как бусинки на нитке, а боковые цепи расположены в определенном порядке для каждого белка.Но белки — это не жемчужные ожерелья. Бусины складываются сами по себе, образуя структурированные объекты.
Некоторые белки в конечном итоге выглядят как шары, некоторые — как заглавные буквы Y, другие — как оливковые венки.Эти формы возникают из-за того, что боковые цепи и скелет белка прилипают к другим боковым цепям, а участки скелета, такие как Post-Its, прилипают друг к другу. Складывание и приклеивание очень специфичны, как у оригами, что приводит к определенной структуре, а не к запутанному беспорядку.
ТройкиGrate требовалось три вещи для имитации белков: сырые компоненты с основой, способной поддерживать большое количество боковых цепей; возможность расставить боковые цепи в определенном порядке; липкость, которую химики называют нековалентными связями.Он работал с промышленным химическим веществом, называемым хлорид циануровой кислоты, для других целей, но его понимание его химических свойств заставило его подумать, что это может быть хорошей отправной точкой.
Цианур хлорид — это молекула, которая может быть расширена в трех удобных местах. Два из них могут соединяться вместе, как два человека, держась за руки, образуя основу. Третий может содержать боковую цепь.
В итоге Грейт назвал полученную молекулу полимером на основе триазина, или сокращенно TZP.Хотя такой полимер будет невосприимчивым к объектам, разрушающим белок, Грейт ожидает, что другие вещи в окружающей среде, такие как бактерии, будут разрушать его, исходя из химической природы TZP.
Так что материала хватит, но не навсегда.Идея была в руках, Grate и химик PNNL Кай-Фор Мо должны были разработать способ синтеза TZP. Они сделали множество мономеров, добавив различные боковые цепи к хлориду циануровой кислоты, при этом каждый мономер представляет собой единый строительный блок, аналогичный аминокислоте.
Для этого исследования они создали пять различных боковых цепей. Затем они обнаружили, что могут добавлять по одному мономеру относительно просто, изменяя температуру, при которой они проводят химические реакции, среди других приемов синтеза.После синтеза полимеров длиной в шесть мономеров, на языке полимеров называемого 6-мерным, исследователи проверили свои творения. Они использовали аналитические инструменты, чтобы показать, что полимеры были правильного размера, имели правильные боковые цепи и боковые цепи были в правильном порядке.
Они также синтезировали 12-мер, чтобы показать, что этот метод работает с более длинными полимерами.Чтобы увидеть, будут ли TZP сворачиваться аналогично белкам, компьютерный ученый PNNL Майкл Дейли смоделировал небольшие TZP, по отдельности и взаимодействующие друг с другом.
6-мер аккуратно сложен пополам, образуя прямой стержень длиной три мономера и шириной два мономера, как шпильку. Точно так же две 3-мерки выстроились в одну линию друг с другом, частично переплетаясь, как застежка-молния.Липкость, удерживающая эти «наностержни» вместе, была нековалентной связью между атомами основной цепи, теми же типами связей, которые природа использует для того, чтобы белки принимали правильную форму.
И, как и белковые структуры, боковые цепи TZP были расположены в определенных положениях вокруг стержней, образованных взаимодействиями остова и остова.Следующим шагом будет создание более крупной библиотеки боковых цепей, количество которых пока равно десяти.
Затем они должны сделать полимеры большей длины и показать, что они действительно принимают полезные формы. Как только исследователи поймут правила получения определенных форм с помощью TZP, которые также собираются в более крупные структуры, они могут разработать материалы с желаемыми функциями — например, мембрану для батареи, катализатор для топливного элемента или даже терапевтический препарат. .Работа поддержана ПННЛ.