عملية جديدة لتحضير المواد النانوية باستخدام طريقة التجميع الذاتي

في حين أن الطب الحيوي والإلكترونيات وغيرها من مجالات البحث تتحرك بثبات نحو أبعاد أقل من نانومتر، فإن إعداد اللبنات الأساسية لإنتاج مثل هذه المواد يمثل مشكلة

في حين أن الطب الحيوي والإلكترونيات وغيرها من مجالات البحث تتحرك بثبات نحو أبعاد أصغر من نانومتر، فإن إعداد اللبنات الأساسية لإنتاج مثل هذه المواد يمثل مشكلة.

ومؤخراً، كشف فريق بحثي من معهد سكريبس للأبحاث عن نهج مبتكر لحل المشكلة يسمح بالحصول على مادة ذات خصائص جديدة، والتي ستذكر الكثير منا بالمطاط المرن. يتم إنتاج المادة بمساعدة البروتينات الطبيعية التي تستخدم كقوالب لإعداد هياكل موحدة بأبعاد نانومترية في عملية التجميع الذاتي. والمادة عبارة عن بوليمر عضوي تم وصفها في الطبعة الإلكترونية للمجلة الأمريكية "Proceedings of the National Academy of Sciences" ويمكن تطبيقها مستقبلا في مجالات مختلفة، بدءا من تشخيص الأمراض وانتهاء بالإلكترونيات الدقيقة.

باستخدام حيل الطبيعة

إن الطبيعة مليئة بأمثلة للمركبات، مثل الحمض النووي، التي يتم الحصول عليها بأنماط موحدة على مقياس نانومتر أثناء التجميع الذاتي، ولكن حتى الآن لم يتمكن الباحثون إلا من محاكاة هذه العمليات إلى حد محدود. ومع ذلك، تصف الدراسة الجديدة إحدى الطرق الاصطناعية التي كانت قادرة على محاكاة استراتيجية النمذجة بشكل فعال، وهي شائعة في الطبيعة، لإنشاء هياكل نانوية في المختبر. من أجل إنشاء المادة الجديدة، بدأ فريق بحث سكريبس، بقيادة رئيس معهد الأبحاث نفسه، ريتشارد ليرنر والبروفيسور توبين ديكرسون، بمنتج نانومتري طبيعي - فيروس بكتيري أو عاثية. النانومتر هو جزء من مليار من المتر، أو عرض مجموعة صغيرة من متوسط ​​عدد الذرات. المنتج المحدد الذي عمل عليه الباحثون هو عاثية تسمى M13. إذا قمت بزيادته بشكل كبير، فإن المنتج يعادل، نسبيًا بالطبع، قلم رصاص متوسط ​​حيث يمثل الطرف والممحاة في الأطراف المواقع النشطة للعاثية التي تؤثر على البكتيريا. البروتينات الأخرى غير النشطة بيولوجيًا والموازية للقشرة الخشبية للقلم الرصاص توفر القشرة الهيكلية للعاثية. أثناء العمل مع العاثيات على نطاق واسع في تطبيقات أخرى، قرر الفريق استكشاف إمكانيات استخدام هذه البروتينات الهيكلية كقوالب تصنيع محتملة لإعداد الهياكل النانوية. ولتحقيق هذه الغاية، قام الفريق بتغيير غلاف البروتين كيميائيًا بحيث يمكن جذبه وربطه بالمكونات المطلوبة لإنتاج شرائح بولي أكريلاميد، وهو بوليمر شائع لإعداد المواد الهلامية المختبرية. مزيج البوليمر/العاثية الناتج، والذي يلتف تلقائيًا في حلزون مثل مركبات DNA وRNA، يخلق بنية تشبه المشط حيث تمثل البوليمرات أسنان المشط. تتحد هذه الأسنان معًا وتشكل مادة صلبة مرنة تشبه المطاط.

مرونة مدهشة

بمجرد الحصول على المادة الجديدة، المعروفة باسم التركيبة الحيوية للبروتين/البوليمر، اندهشت مجموعة البحث عندما وجدت أنه كان من المستحيل تقريبًا الحصول على عينة فردية منها. ورغم أنه كان من الممكن قطع قطعة منها، لكن عندما حاول الباحثون ضغط المادة أو ضغطها قدر الإمكان، "قفزت" مرة أخرى إلى شكلها الأصلي، لأن بروتينات العاثيات المستقرة تعمل بمثابة غراء يشبه الأسمنت القوة الهيكلية. وتمكن الفحص الدقيق من التمييز بين الميزات المهمة الأخرى. لا تنمو "الأمشاط" بشكل موحد تمامًا - فبعضها ينمو "أسنانًا" أكثر من غيرها قبل أن تتصل وتربط معًا. ومع ذلك، لكي تترابط الأمشاط المنفصلة معًا كيميائيًا، يجب أن تقترب بدرجة كافية من بعضها البعض، وهي حقيقة تؤدي إلى توحيد المسافات بين الأسنان. تم قياس هذه الفجوات ووجد أن عرضها 4 نانومتر وطولها أكثر من XNUMX ميكرومتر (جزء من المليون من المتر). هذا التجانس يتناقض تمامًا مع نتائج التجارب الأخرى التي أظهرت أنه بمجرد خلط العاثيات مع البوليمرات، دون عملية القالب، يتم الحصول على مادة مضطربة تمامًا على مستواها الجزيئي. ومن المثير للاهتمام أنه بعد إنتاج المادة، اكتشفت المجموعة أن باحثًا بريطانيًا قد أجرى حسابات نظرية فيما يتعلق بمسألة كيفية دمج الملفات المرنة - مثل العاثيات - معًا في الترتيب المكاني بأقل طاقة. يقول ديكرسون: "لقد كان أمرًا مُرضيًا للغاية أن نكتشف أن علماء الرياضيات توقعوا بدقة الترتيب الذي حصلنا عليه في المختبر".

البدء في استخدام المواد

على الرغم من أن العمل الأولي كان يهدف في المقام الأول إلى إثبات جدوى استخدام العاثيات كقوالب إنتاج، إلا أن الباحثين لديهم بالفعل عدد من التطبيقات المحتملة. ويمكن إنتاج كميات كبيرة من العاثيات بسهولة وبتكلفة زهيدة، كما أن مكونات البوليمر كلها تجارية، لذلك يمكن تحضير المادة الجديدة بسهولة في أي مختبر. وهذه الخصائص ستسمح بالتطبيقات الاقتصادية في المستقبل القريب. يقول الباحث: "في الأساس، المواد التي تنتجها العاثيات هي موارد متجددة".

يمكن بناء القنوات المحددة الناتجة عن الفجوات الموجودة في المادة الجديدة بطريقة يمكن التحكم فيها للحصول على مسارات دقيقة لنقل الإلكترونات لتطبيقها في مجال الإلكترونيات الدقيقة، على سبيل المثال. أو من الممكن استخدام مواد جديدة بفترات زمنية محددة مسبقا سيتم استخدامها كمرشحات للمركبات ذات حجم معين، على سبيل المثال - قياس وجود وكمية البروتينات التي تشير إلى وجود مرض معين في عينة الدم. يمكن أن تشمل التطبيقات الأكثر تعقيدًا أيضًا تغيير المواقع البيولوجية النشطة للعاثيات من أجل تقارب انتقائي لمركبات معينة، مع احتجازها داخل الفجوات أو العكس - مما يمنع دخول المركبات الضارة.

يقول ديكرسون عن الإمكانيات المتنوعة للاستخدام: "يمكن مقارنة وحدات البناء هذه بمكعبات ألعاب Lego". "يمكنك التفكير فيها حرفيًا من الناحية الهندسية باستخدام مرادفات عيانية مثل السلال أو الأغطية أو الثقوب." ومن أجل توسيع قائمة إمكانيات الاستخدام، بدأت المجموعة بالفعل في فحص المواد الإضافية التي يمكن الحصول عليها في عملية البناء الأساسية للعاثيات.