p Moléculas semelhantes a proteínas chamadas "polipeptoides" (ou "peptóides, "para resumir) são uma grande promessa como blocos de construção de precisão para a criação de uma variedade de nanomateriais de design, como nanofolhas flexíveis - ultrafinas, materiais 2-D em escala atômica. Eles podem promover uma série de aplicações, como sintéticas, anticorpos específicos da doença e membranas ou tecidos autorreparáveis ​​- a um custo baixo. p Para entender como tornar esses aplicativos uma realidade, Contudo, os cientistas precisam de uma maneira de ampliar a estrutura atômica de um peptóide. No campo da ciência dos materiais, os pesquisadores normalmente usam microscópios eletrônicos para alcançar a resolução atômica, mas materiais macios como os peptoides se desintegrariam sob o brilho forte de um feixe de elétrons.

p Agora, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) adaptaram uma técnica que utiliza o poder dos elétrons para visualizar a estrutura atômica de um material macio, mantendo-o intacto.

p Seu estudo, publicado no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences , demonstra pela primeira vez como crio-EM (microscopia eletrônica criogênica), uma técnica ganhadora do Prêmio Nobel originalmente projetada para imagens de proteínas em solução, pode ser usado para criar imagens de mudanças atômicas em um material sintético macio. Suas descobertas têm implicações para a síntese de materiais 2-D para uma ampla variedade de aplicações.

p "Todos os materiais que tocamos funcionam devido à forma como os átomos estão dispostos no material. Mas não temos esse conhecimento para os peptóides porque, ao contrário das proteínas, a estrutura atômica de muitos materiais sintéticos macios é confusa e difícil de prever, "disse Nitash Balsara, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, e professor de engenharia química na UC Berkeley, que co-liderou o estudo. "E se você não sabe onde estão os átomos, você está voando às cegas. Nosso uso de crio-EM para a geração de imagens de peptóides definirá um caminho claro para o design e a síntese de materiais macios em escala atômica. "

p Dando uma olhada em materiais macios

p Nos últimos 13 anos, Balsara tem liderado um esforço para criar imagens de materiais macios em escala atômica por meio do Programa de Microscopia Eletrônica de Matéria Mole do Berkeley Lab. Para o estudo atual, ele juntou forças com Ronald Zuckermann, um cientista sênior da Fundição Molecular do Laboratório de Berkeley que descobriu os peptóides há quase 30 anos em sua busca por novos polímeros - materiais feitos de longos, repetir cadeias de pequenas unidades moleculares chamadas "monômeros" - para terapias medicamentosas direcionadas.

p "Este estudo é resultado de muitos anos de pesquisa aqui no Berkeley Lab. Fazer um material e ver os átomos - é o sonho da minha carreira, "disse Zuckermann, que co-liderou o estudo com Balsara.

p Ao contrário da maioria dos polímeros sintéticos, peptoides podem ser feitos para ter uma sequência precisa de unidades monoméricas, um traço comum em polímeros biológicos, como proteínas e DNA.

p E como proteínas naturais, peptoides podem crescer ou se auto-montar em formas distintas para funções específicas, como hélices, fibras, nanotubos, ou nanofolhas finas e planas.

p Mas, ao contrário das proteínas, a estrutura molecular dos peptóides é tipicamente amorfa e imprevisível - como uma pilha de macarrão molhado. E desemaranhar uma estrutura tão imprevisível sempre foi um obstáculo para os cientistas de materiais.

p Determinando peptóides com crio-EM

p Então, os pesquisadores se voltaram para o crio-EM, que congela rapidamente os peptóides a uma temperatura de cerca de 80 kelvins (ou 316 graus Fahrenheit negativos) em microssegundos. A temperatura ultracold do cryo-EM bloqueia a estrutura da folha e também impede que os elétrons destruam a amostra.

p Para proteger materiais macios, cryo-EM usa menos elétrons do que a microscopia eletrônica convencional, resultando em imagens fantasmagóricas em preto e branco. Para documentar melhor o que está acontecendo no nível atômico, centenas dessas imagens são tiradas. Ferramentas matemáticas sofisticadas combinam essas imagens para fazer imagens em escala atômica mais detalhadas.

p Para o estudo, os pesquisadores fabricaram nanofolhas em solução de polímeros peptóides curtos feitos de uma cadeia de seis monômeros hidrofóbicos conhecidos como "aromáticos, "conectado a quatro monômeros de poliéter hidrofílico. Os monômeros hidrofílicos ou" amantes da água "são atraídos pela água na solução, enquanto os monômeros hidrofóbicos ou "odiadores de água" evitam a água, orientar as moléculas para formar nanofolhas cristalinas com apenas uma molécula de espessura (cerca de 3 nanômetros, ou 3 bilionésimos de um metro).

p Autor principal Sunting Xuan, um pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciências de Materiais, sintetizou as nanofolhas peptóides e usou técnicas de espalhamento de raios-X na Fonte de Luz Avançada (ALS) do Berkeley Lab para caracterizar sua estrutura molecular. O ALS produz luz em uma variedade de comprimentos de onda para permitir estudos da estrutura e química em nanoescala das amostras, entre outras propriedades.

p Xi Jiang, um cientista de projeto na Divisão de Ciências de Materiais, capturou as imagens de alta qualidade e desenvolveu os algoritmos necessários para alcançar a resolução atômica na imagem do peptóide.

p David Prendergast, cientista sênior da equipe e diretor interino da Molecular Foundry, substituições atômicas modeladas nos peptóides, e Nan Li, um pesquisador de pós-doutorado na Molecular Foundry, realizaram simulações de dinâmica molecular para estabelecer um modelo em escala atômica da nanofolha.

p No centro da descoberta da equipe estava a capacidade de iterar rapidamente entre a síntese de materiais e a imagem atômica. A precisão da síntese peptóide, juntamente com a capacidade dos pesquisadores de obter imagens diretamente da colocação de átomos usando crio-EM, permitiu-lhes projetar o peptóide no nível atômico. Para sua surpresa, quando eles criaram várias novas variações da sequência do monômero peptóide, a estrutura atômica da nanofolha mudou de maneira muito ordenada.

p Por exemplo, quando um átomo de bromo adicional foi adicionado a cada anel aromático, a forma de cada molécula de peptóide permaneceu inalterada, mas o espaço entre as fileiras aumentou apenas o suficiente para acomodar os átomos de bromo adicionais.

p Além disso, quando quatro variantes adicionais da estrutura da nanofolha peptoide foram fotografadas, os pesquisadores notaram uma uniformidade notável em sua estrutura atômica, e que as nanofolhas compartilhavam a mesma forma das moléculas peptóides. Isso permitiu que eles projetassem de forma previsível a estrutura da nanofolha, Zuckermann disse.

p "Ter tanto controle na escala atômica em materiais macios foi completamente inesperado, "disse Balsara, porque foi assumido que apenas as proteínas poderiam formar formas definidas quando você tem uma sequência específica de monômeros - no caso deles, aminoácidos.

p Uma abordagem de equipe para novos materiais

p Por quase quatro décadas, O Berkeley Lab expandiu os limites da microscopia eletrônica para campos da ciência antes considerados impossíveis de explorar com um feixe de elétrons. O trabalho pioneiro de cientistas do Berkeley Lab também desempenhou um papel fundamental no Prêmio Nobel de Química de 2017, que honrou o desenvolvimento do cryo-EM.

p "A maioria das pessoas diria que não é possível desenvolver uma técnica que possa posicionar e ver átomos individuais em um material macio, "disse Balsara." A única maneira de resolver problemas difíceis como este é juntar-se a especialistas de várias disciplinas científicas. No Berkeley Lab, trabalhamos em equipe. "

p Zuckermann acrescentou que o estudo atual prova que a técnica crio-EM pode ser aplicada a uma ampla gama de polímeros comuns e outros materiais industriais macios, e pode levar a uma nova classe de nanomateriais macios que se dobram em estruturas semelhantes a proteínas com funções semelhantes a proteínas.

p "Este trabalho prepara o terreno para os cientistas de materiais enfrentarem o desafio de tornar as proteínas artificiais uma realidade, " ele disse, acrescentando que seu estudo também posiciona a equipe para trabalhar na resolução de uma diversidade de problemas interessantes, e "conscientizar as pessoas de que elas, também, pode começar a olhar para a estrutura atômica de seus materiais macios usando essas técnicas crio-EM. "