Исследователи объединили маловероятные материалы для создания новой гибридной формы кристаллического вещества, которая могла бы изменить практику материаловедения.

Группа химиков из Калифорнийского университета в Сан-Диего произвела прорывные исследования в области материаловедения - области, для которой химия часто предоставляет информацию о структуре и составе материалов, а также о процессах их создания и использования.

Исследователи из отдела химии и биохимии объединили маловероятные материалы для создания новой гибридной формы кристаллического вещества, которая могла бы изменить практику материаловедения. Результаты, опубликованные в Nature, показывают потенциальные преимущества для медицины и фармацевтической промышленности.

 

Линг Чжан, Джейк Бэйли и Рохит Субраманян, обучающиеся у профессора Акифа Тезкана, скомбинировали кристаллы белка с синтетическими полимерами для создания новых гибридных материалов.

«Химическая интеграция двух таких разрозненных веществ порождает новую форму материи, которая полностью обходит фундаментальное ограничение, что упорядоченные вещества являются хрупкими и негибкими, а гибкие материалы лишены порядка», - пояснил Тезкан.

Кристаллы представляют собой массивы атомов или молекул, упорядоченных периодически в трехмерном пространстве посредством специфических взаимодействий. Поскольку эти взаимодействия удерживают соседние составляющие в уникальной компоновке, например, кристаллы, подобные кристаллам соли, не могут изгибаться или расширяться. Вместо этого, если они ударяются с силой, то разбиваются на куски, которые не могут воссоединиться.

Исследователи обошли эти фундаментальные ограничения, внедряя протеиновые кристаллы в сеть гидрогелевых полимеров, которые по существу являются гибкими цепями и образуют «память формы» вокруг белковых молекул. Эта форма позволяет кристаллам белка восстанавливать себя при растрескивании, а также расширяться (иногда до 500 процентов по объему) и сокращаться, не теряя своей кристалличности.

 

Внешний вид кристалло-гидрогелевого гибрида

 

На самом деле исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего заметили, что в некоторых случаях атомный уровень белковых молекул возрастал при расширении и сжатии. Увеличенный порядок позволил исследователям использовать рентгеновское излучение для получения структур с более высоким разрешением, чем когда-либо наблюдавшихся для белка, называемого ферритином (продуцируемого в различных организмах для хранения железа).

Согласно исследователям, эти результаты дают возможность использовать данную методику, как правило, для улучшения рентгеновской кристаллографии белков. Кристалл-гидрогелевые гибриды (англ. crystal-hydrogel hybrids) также дают основу для создания одновременно жестких и прочных материалов, способных выдерживать разрушение. Более того, способность этих материалов расширяться и сокращаться, возможно, может быть использована для безопасного хранения больших биологических агентов, таких как антитела и нуклеиновые кислоты, а затем для освобождения их в желаемых местах в организме для терапевтических целей.

«Эти материалы уникально сочетают структурный порядок и периодичность молекулярных кристаллов, адаптивность и перестраиваемые механические свойства синтетических полимеров и химическую универсальность белковых строительных блоков», - сказал Тезкан. «Самая приятная часть этой работы заключалась в том, как она сочетала различные дисциплины и методы в непредвиденных способах создания новых направлений исследований».

Источник: Ling Zhang et al. Hyperexpandable, self-healing macromolecular crystals with integrated polymer networks, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0057-7

 

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта