Ny teori endrer det vi vet om hvordan ladede makromolekyler setter seg sammen

I en oppdagelse med vidtrekkende implikasjoner, kunngjorde forskere ved University of Massachusetts Amherst nylig i Proceedings of the National Academy of Sciences at jevnt ladede makromolekyler – eller molekyler, som proteiner eller DNA, som inneholder et stort antall atomer, alle med samme elektriske ladning – kan selv settes sammen til veldig store strukturer. Dette funnet øker vår forståelse av hvordan noen av livets grunnleggende strukturer er bygget.

Tradisjonelt har forskere forstått ladede polymerkjeder som å være sammensatt av mindre, jevnt ladede enheter. Slike kjeder, kalt polyelektrolytter, viser forutsigbar atferd av selvorganisering i vann: De vil frastøte hverandre fordi lignende ladede objekter ikke liker å være nær hverandre. Hvis du tilsetter salt til vann som inneholder polyelektrolytter, spoler molekylene seg sammen, fordi kjedenes elektriske frastøtning blir skjermet av saltet.

Men “spillet er veldig annerledes når du har dipoler,” sier Murugappan Muthukumar, Wilmer D. Barrett-professor i polymervitenskap og ingeniørvitenskap ved UMass Amherst, studiens seniorforfatter.

Mens mange molekyler har enten en positiv eller negativ ladning, har dipoler begge deler. Dette betyr at polymerer sammensatt av dipoler oppfører seg veldig annerledes enn de mer kjente polyelektrolyttene, som enten har en positiv eller negativ elektrisk ladning: de utvider seg i en saltløsning og kan danne tverrbindinger med andre dipoler. polymerkjedersom deretter fører til dannelsen av komplekse polymerstrukturer.

Di Jia, som fullførte denne forskningen som en del av sin postdoktorutdanning ved UMass Amherst og er studiens hovedforfatter, sier at “dipoler kan få polyelektrolytter til å oppføre seg mer som polyzwitterioner, som viser en ‘anti-polyelektrolytteffekt’. Denne effekten er også et trekk ved de tradisjonelle kjemiske polyzwitterionene, hvis dipoler er laget av kjemiske bindinger. Derfor, for fysisk polyzwitterion[s] i fortynnede løsninger øker polymerstørrelsen med økende ionestyrke, og viser en kule-til-spiral-overgang på grunn av interkjedens dipolinteraksjoner.”

Dipolare polymerer er i stand til å danne komplekse, selvregulerende strukturer som kan brukes i alt fra medikamentleveringssystemer til neste generasjons polymerer. “Vi teoretiserer at disse dipolare kreftene er ladet makromolekyler spiller en betydelig rolle i nesten alle biologiske monteringsprosesser, for eksempel spontan fødsel av membranløse organeller,” sier Muthukumar.

Videre viser disse dipol-komponerte polymerene en “imellom”-tilstand, kalt “mesomorfisme”. I den mesomorfe tilstanden er polymerene verken vidt spredt eller tett kveilet, men samlet i store, stabile, ensartede strukturer som har evnen til å “selvforgifte” eller oppløses.

“Betydningen av oppdagelsen om at dipoler driver sammenstillingen av polymerer er enorm,” sier Muthukumar, “fordi den kaster nytt lys over et av de grunnleggende mysteriene i livets prosesser,” eller hvordan biologiske materialer vet hvordan de selv kan settes sammen til sammenhengende, stabile strukturer. “Teorien endrer paradigmet for hvordan vi tenker om disse systemene, og fremhever den ukjente rollen som dipoler lek i selvmontering av biologiske materialer.”

---

---