Imagens TEM de nanoestruturas de automontagem e suas recombinações, em cores falsas. Crédito:Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa - OIST
Os pesquisadores do OIST criam moléculas de automontagem que podem ser quebradas pela luz ultravioleta para se recombinar em novas formas macroscópicas.
A química tradicional é imensamente poderosa quando se trata de produzir moléculas químicas microscópicas muito diversas e complexas. Mas uma coisa fora de alcance é a síntese de grandes estruturas até a escala macroscópica, o que exigiria enormes quantidades de produtos químicos, bem como uma técnica elaborada e complicada. Para este propósito, cientistas confiam em moléculas de "automontagem", compostos que podem interagir com outras cópias de si mesmos para se congregar espontaneamente em esferas, tubos ou outras formas desejadas. Usando essa abordagem, pesquisadores da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) agora relata em Comunicações Químicas novas moléculas de automontagem que podem se transformar em novidades, formas exóticas e anteriormente não observadas simplesmente usando luz ultravioleta para forçá-las a se reorganizarem de forma diferente em estados "metaestáveis".
Ao projetar estruturas de automontagem, os cientistas normalmente buscam o estado de menor energia - ou "estado fundamental, "em que a estrutura estaria em sua mais alta estabilidade. Formas menos estáveis são geralmente descartadas como incorretas e indesejáveis. No entanto, este "estado fundamental" sendo muito estável torna árduo quebrar a estrutura se você deseja alterar sua forma. Nesta pesquisa, Os cientistas do OIST inseriram uma fraqueza em suas estruturas auto-montadas de estado fundamental, resultando em estruturas que requerem apenas um pequeno empurrão para entrar em colapso. Nesse caso, o nudge é o uso de luz ultravioleta para cortar uma ligação específica entre dois átomos dentro da molécula, dividindo a estrutura em fragmentos menores. Os fragmentos são então capazes de co-montar em formas menos estáveis - chamadas metaestáveis - mas novas e exóticas.
Uso de luz ultravioleta para quebrar moléculas de automontagem em fragmentos de co-montagem. As moléculas 1 e 2 podem se automontar separadamente em nanoestruturas. A exposição à luz ultravioleta irá interromper essas nanoestruturas, dividindo 1 em fragmentos mais curtos 3 e 4, e dividindo 2 em 4 e 5. A nova mistura de fragmentos mais curtos pode se recombinar espontaneamente em novas formas. Crédito:Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa - OIST
"Este relatório é sobre um novo conceito em ciência dos materiais, "explicou o Prof. Zhang da Bioinspired Soft Matter Unit e autor do estudo." Nós convertemos um fenômeno de automontagem em co-montagem de uma maneira espacialmente e temporalmente controlável usando luz. Eventualmente, nós construímos nanoestruturas heterogêneas exóticas inacessíveis através do caminho sintético convencional. "
Este novo conceito levou a uma descoberta fascinante:como os fragmentos restantes são compactados após o colapso da estrutura inicial, eles podem formar estruturas novas e exóticas que não são alcançáveis se você simplesmente misturar as mesmas moléculas em movimento livre. Imagine essas nanoestruturas feitas de tijolos Lego:inicialmente você tem 2x5 tijolos - 2 pinos de largura e 5 pinos de comprimento - montando-se automaticamente em uma nanofibra. A luz ultravioleta vai dividir esses tijolos 2x5 em dois pedaços menores, por exemplo, um tijolo 2x3 e um tijolo 2x2, destruindo toda a estrutura semelhante a fibra. Mas porque esses tijolos menores permanecem pré-organizados espacialmente ficando próximos uns dos outros, eles podem facilmente se recombinar em novas formas visíveis a olho nu. Em contraste, se em um experimento separado você simplesmente misturar 2x3 e 2x2 tijolos de Lego de maneira aleatória em um balde com distâncias variadas entre os tijolos, sua falta de organização espacial impede a montagem dessas novas nanoestruturas.
De acordo com o Prof. Zhang, a capacidade de criar novas estruturas é vital:"Na ciência dos materiais, a função está sempre relacionada à estrutura. Se você criar uma estrutura diferente, você manipula a função e até cria novos aplicativos. "Por exemplo, a toxicidade de uma molécula em forma de nanofibra pode ser muito menor ou maior do que a mesma molécula montada em forma esférica. "
Indução de novas formas macroscópicas a partir dos fragmentos da estrutura auto-montada inicial. Caminho com setas amarelas de 1 a 3:Uma estrutura inicial semelhante a uma fibra é criada (1), em seguida, dividido usando luz ultravioleta (símbolo de iluminação roxa). Porque eles estão fortemente embalados no rescaldo da estrutura em colapso (2), esses fragmentos se co-montam novamente em formas mais diversas e maiores (3). Caminho com setas cinzas de 4 a 5:simplesmente misturar as mesmas moléculas em movimento livre em um solvente (4) não resulta na mesma variedade e tamanho de nanoestruturas (5). Crédito:Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa - OIST
A presente pesquisa realizada no OIST sugere fortemente que as condições iniciais são o parâmetro mais crítico que influencia a forma final assumida pelas moléculas de automontagem. "Se você souber como as moléculas se agrupam a partir dos parâmetros do estado inicial, então, ele lhe dará mais pistas para apontar para uma forma macroscópica específica, "comentou o Prof. Zhang.
Esta habilidade de mudança de forma tem um grande potencial para aplicações biológicas. O Prof. Zhang sugeriu, "Por exemplo, você introduz a molécula em um organismo vivo e ela adota uma certa estrutura. Então, usando a luz, você quebra uma ligação química e então a molécula muda para outra estrutura com a função que você deseja. "
Em design farmacêutico, tal conceito permitiria a uma droga atingir seu alvo em um organismo vivo - um órgão ou tumor - em um estado inativo, limitando assim os potenciais efeitos colaterais. Depois de discriminado neste local de segmentação, a droga se remodelaria em uma estrutura diferente com atividade terapêutica.
O Prof. Zhang concluiu, "Por enquanto, usar luz ultravioleta como fazemos não é ideal, pois é tóxico para as células vivas. O próximo passo para nós é avançar em direção a estruturas de automontagem mais biocompatíveis com melhor adaptabilidade aos sistemas vivos. "
