Velcro. Aviões. Sonar. O que eles têm em comum? A invenção de cada um foi inspirada na natureza. O velcro imita a capacidade da broca de bardana de se prender à roupa. Aves em voo motivaram o eventual desenvolvimento de aviões. Os morcegos usam a ecolocalização para navegar, fornecendo a inspiração para o sonar.
No Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), o cientista de materiais Chun-Long Chen também está interessado nos modelos encontrados na natureza, mas em uma escala muito menor. Chen se inspira nas estruturas moleculares encontradas na natureza; principalmente dos blocos de construção de proteínas, chamados peptídeos. Ele cria peptóides de sequência definida - moléculas sintéticas semelhantes a proteínas que são mais robustas do que blocos de construção naturais - para desenvolver nanomateriais biomiméticos com funções únicas.

Esses nanomateriais bioinspirados são promissores em uma ampla variedade de aplicações, desde a entrega de medicamentos até a energia fotovoltaica. Como um líder emergente em automontagem molecular, Chen, juntamente com vários de seus ex-estagiários, escreveu recentemente um artigo de revisão para uma próxima edição especial de Revisões Químicas . Este artigo aborda o estado da arte em nanomateriais hierárquicos montados a partir de polímeros sintéticos definidos por sequência. Através desta revisão, os autores esperam encorajar outros em áreas relacionadas a explorar o design de nanomateriais biomiméticos para aplicações avançadas de energia, biomédicas e ambientais.

"Estou muito inspirado pelas conquistas de Chun-Long neste campo e realmente acredito que ele está apenas no começo da descoberta de todos os tipos de novas aplicações para nanoestruturas peptóides biomiméticas", disse o ex-mentor de Chen e inventor de peptóides Ronald Zuckermann, de Lawrence Berkeley. Laboratório Nacional (LBNL). "Sua pesquisa está abrindo uma nova era de nanociência biomimética, onde podemos manipular nanomateriais sintéticos com precisão atômica para resolver problemas de reconhecimento molecular, catálise e terapêutica".

Grandes aplicações para pequenos materiais

A própria pesquisa de Chen se concentra no desenvolvimento de peptóides definidos por sequência para imitar proteínas naturais para cristalização biomimética e montagem de materiais biomiméticos. As estruturas formadas por essas moléculas de automontagem exibem propriedades maiores do que as das moléculas individuais. As proteínas, por exemplo, contêm várias camadas de estruturas. Os aminoácidos são unidos para formar moléculas peptídicas que compõem a proteína. Os peptídeos se dobram para formar a estrutura 3D que dá à proteína sua função. E no próximo nível, várias proteínas podem se unir para formar complexos para funções únicas além das capacidades das proteínas individuais.

“Criar polímeros sintéticos que se automontam em nanomateriais hierárquicos como macromoléculas naturais é muito empolgante, mas o campo ainda é relativamente novo”, disse Chen. "Através desta revisão, queríamos destacar alguns dos avanços feitos em direção à automontagem molecular desses polímeros sintéticos definidos por sequência. Também queríamos discutir as aplicações potenciais de seus materiais hierárquicos automontados em ciências biomédicas e energia renovável. "

As possibilidades são infinitas para essas diferentes funções. Até agora, esses materiais funcionais bioinspirados mostraram-se promissores na entrega de medicamentos, detecção molecular, terapia fotodinâmica, descontaminação da água e muito mais.

"As proteínas contêm muita informação. Suas sequências de aminoácidos ditam sua estrutura e função em nossos corpos. Os peptóides que sintetizamos têm essa ideia de usar sequências para programar essas moléculas para diferentes funções", disse Chen.

"Em princípio, podemos usar peptóides como uma plataforma de blocos de construção programáveis ​​e montá-los como LEGOs para construir materiais hierárquicos de alto conteúdo de informação com alta programação e previsibilidade para atender às nossas necessidades. estudo de nossos sucessos e fracassos", disse Chen.

Forjando um novo caminho para nanomateriais hierárquicos

Os nanomateriais que Chen cria são notoriamente imprevisíveis. É difícil sintetizar materiais que possam desempenhar funções específicas. Chen, no entanto, não é estranho a superar esses desafios. Como estudante de pós-graduação na Universidade Sun Yat-Sen, na China, Chen começou a investigar o projeto e a montagem de moléculas em estruturas supramoleculares. Isso abriu caminho para seu trabalho como associado de pesquisa de pós-doutorado na Mississippi State University, na Universidade de Pittsburgh e no LBNL, onde trabalhou com Zuckermann.

Chen acabou sendo recrutado para o PNNL, onde lidera o projeto de peptóides definidos por sequência capazes de automontagem.

"Houve muitas tentativas e erros envolvidos não apenas na criação das próprias moléculas, mas em garantir que elas pudessem formar as estruturas maiores que queríamos", disse Chen.

Ele e sua equipe inicialmente se propuseram a criar moléculas para aplicações biomédicas, como administração de medicamentos e imagens biológicas. Logo, eles expandiram sua pesquisa para uma ampla gama de aplicações, incluindo descontaminação de água e pesquisa de baterias.

Questões de mentoria

"É uma grande honra para o nosso grupo fazer parte desta edição especial 'Molecular Self-Assembly' em Chemical Reviews e para que eu seja convidado a escrever uma extensa revisão na área de auto-montagem molecular de polímeros sintéticos de sequência definida", disse Chen. "Este é um grande reconhecimento de muitos anos de trabalho duro neste campo, incluindo nossas contribuições do PNNL."

Depois de receber esse convite, Chen imediatamente reuniu uma equipe composta por dois de seus ex-pós-docs, Zhiliang Li e Bin Cai, ambos agora professores da Universidade de Shandong, e um estudante de pós-graduação visitante:Wenchao Yang, estudante de pós-graduação da Universidade de Tianjin. Os três trabalharam com Chen como coautores para delinear o estado atual da arte na automontagem molecular de peptóides e outros polímeros de sequência definida em nanomateriais hierárquicos e suas potenciais aplicações em energia e biomedicina.

"Enquanto trabalhava com Chun-Long, ganhei um conhecimento valioso no campo da bioquímica, como design e síntese de biomoléculas, síntese orgânica e automontagem molecular", disse Bin Cai, ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo de Chen no PNNL. "Além disso, sua visão científica e atitude otimista tiveram um grande impacto e moldaram a direção da minha carreira. Especificamente, o que aprendi com ele é como me concentrar:como se concentrar em uma questão científica importante e fazer vários planos para alcançá-la." + Explorar mais

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