قام علماء من المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية "بإجبار" البوليمرات على نسج نفسها في حبال نانومترية صغيرة - وهي مواد تقترب من التعقيد الهيكلي للمواد البيولوجية.
يعد هذا البحث أحدث تطور في الجهود المبذولة لتطوير مواد نانوية ذاتية التنظيم تحاكي تعقيد ووظائف الأنظمة الطبيعية، وفي الوقت نفسه، تكون مستقرة بما يكفي لتحمل الظروف القاسية مثل الحرارة والجفاف.
وعلى الرغم من أن البحث لا يزال في مراحله الأولى، إلا أن نتائجه يمكن أن تؤدي إلى تطبيقات جديدة تجمع بين أفضل ما في العالمين. من الممكن والممكن استخدام المواد الجديدة كهياكل سقالات توجه بناء الأسلاك النانوية وغيرها من الهياكل النانوية. أو ربما يمكن استخدامها في تطوير الناقلات لتوصيل الأدوية التي تؤثر على المرض على المستوى الجزيئي، أو في تطوير أجهزة الاستشعار الجزيئية وأجهزة الترشيح التي تفصل الجزيئات عن بعضها البعض.
من الناحية العملية، وجد العلماء الظروف التي بموجبها تنظم البوليمرات الاصطناعية، التي تسمى "بوليبيبتويد"، نفسها في هياكل أكثر تعقيدًا: أولاً في بنية من الصفائح، ثم في أكوام من نفس الصفائح، والتي بدورها تطوى إلى حلزونات مزدوجة تشبه حبل مضفر بقطر 600 نانومتر فقط.
"هذا التنظيم الذاتي المتدرج هو السمة المميزة للعديد من المواد البيولوجية، مثل الكولاجين (المصطلح في ويكيبيديا)يقول رون زوكرمان، مدير مرفق الهياكل النانوية البيولوجية بالمختبر: "لكن تصميم وتطوير الهياكل الاصطناعية التي تقوم بذلك كان حتى الآن تحديًا خطيرًا".
بالإضافة إلى ذلك، وعلى عكس البوليمرات العادية، يستطيع العلماء التحكم في ترتيب بنية الحبل النانوي على مستوى الذرة الواحدة. يمكنهم أيضًا إنتاج ملفات ذات أطوال وتسلسلات محددة حسب الطلب. تفتح قدرة "الضبط" هذه الباب أمام إمكانيات تطوير هياكل اصطناعية تحاكي قدرة المواد البيولوجية على أداء مهام دقيقة للغاية، مثل التعشيش على جزيئات محددة.
"تستخدم الطبيعة أطوالًا وتسلسلات دقيقة لإنتاج هياكل ذات قدرة وظيفية عالية. ويشير الباحث إلى أن الجسم المضاد، على سبيل المثال، قادر على التعرف على شكل واحد من البروتين وليس آخر، ونحن مهتمون بمحاكاة هذه القدرة. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
واستخدم العلماء سلاسل من البوليمرات التي تشبه البوليمرات الطبيعية، والتي تسمى الببتويدات المصطلح في ويكيبيديا). الببتويدات هي هياكل تحاكي تكوين الببتيدات، وهي نفس اللبنات الأساسية التي تستخدمها الطبيعة لتكوين البروتينات - قلب علم الأحياء. بدلاً من استخدام الببتيدات لبناء البروتينات، يهدف العلماء إلى استخدام الببتيدات لبناء هياكل اصطناعية تتصرف مثل البروتينات.
بدأ العلماء البحث باستخدام كتلة البوليمرات المشتركة، وهي بوليمرات تتكون من نوعين أو أكثر من أنواع مختلفة من المونومرات (كتل البناء).
يقول أحد الباحثين: "تقوم البوليمرات المشتركة البسيطة بتنظيم نفسها ذاتيًا في هياكل نانوية، لكننا أردنا فحص كيفية استخدام التسلسل الدقيق ووظيفة وحدات المحاكاة البيولوجية لإعداد هياكل أكثر تعقيدًا". في ضوء ذلك، يتم تصنيع الوحدات الببتويدية تلقائيًا ومعالجتها ثم إضافتها إلى محلول يعزز التجميع الذاتي.
وكانت النتيجة مجموعة متنوعة من الأشكال والهياكل التي تم إنشاؤها بشكل مستقل، وكانت الملفات المتشابكة هي الأكثر روعة على الإطلاق. إن الهيكل المتدرج للملف، فضلاً عن القدرة على التأثير على كل ذرة فيه على حدة، يعني أنه يمكن استخدام هذه المادة كقالب لإعداد الهياكل المعقدة على مقياس النانومتر.
يقول أحد الباحثين: "الفكرة هي تحضير أشكال نانومترية ذات هياكل معقدة بأقل قدر من الاستثمار". ستكون الخطوة البحثية التالية للعلماء هي دراسة تأثيرات التغيرات الكيميائية الصغيرة على البنية الحلزونية.
يقول الباحث الرئيسي: "الملفات المضفرة هي الخطوة الأولى في الإعداد التلقائي لكتلة البوليمرات المشتركة المحددة حسب الطلب. والفكرة هي إنشاء شيء يبدو في أذهاننا مثل البلاستيك، لكنه يمكن أن يتكيف مع نفسه بهياكل أكثر تعقيدًا ووظيفية من المعتاد، مثل هياكل التعرف الجزيئي، وهو أمر تقوم به البروتينات بشكل جيد.
