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Los científicos se acercan a la estructura atómica de las proteínas artificiales

by notiulti

La ciencia

Los científicos han creado láminas cristalinas delgadas, parecidas al papel, utilizando una molécula sintética parecida a una proteína llamada polipéptoide. Estas nanohojas tienen solo una molécula de espesor, con las moléculas dispuestas de formas muy específicas. Los científicos toman imágenes de estas nanoláminas utilizando microscopios electrónicos en condiciones criogénicas. Hasta hace poco, estas imágenes eran borrosas debido a la pequeña cantidad de electrones que pueden atravesar las hojas sin causar daños. En este estudio, los investigadores utilizaron algoritmos basados ​​en aprendizaje automático para procesar unas 500.000 imágenes independientes. El resultado es la primera imagen clara en el espacio real de átomos individuales en un material sintético blando.

El impacto

Los polímeros sintéticos son esenciales para muchos productos que damos por sentado. Estos van desde muebles de plástico hasta fuselajes de aviones modernos. También se encuentran en el corazón de dispositivos como pilas de combustible y baterías recargables. Estos dispositivos son cada vez más importantes en el panorama emergente de las energías limpias. Todas las propiedades importantes de los polímeros sintéticos dependen de la disposición de sus átomos. La capacidad de los científicos para colocar átomos individuales en materiales poliméricos mejorará nuestra comprensión de los cuellos de botella que limitan el rendimiento de los polímeros sintéticos. Esta investigación también marca un paso importante en nanociencia como un todo.

Resumen

Por primera vez, los científicos revelaron los detalles estructurales atómicos de un material sintético blando. Los copolímeros de dibloques peptoides constan de dos cadenas similares a proteínas diferentes que están unidas entre sí. Estos materiales fueron diseñados para encajar perfectamente entre sí para formar láminas cristalinas altamente organizadas en el agua. Las moléculas individuales y sus orientaciones relativas dentro de las nanohojas se observaron directamente mediante microscopía electrónica de transmisión criogénica (crio-TEM), revelando detalles atómicos en el espacio de posición inaccesible mediante técnicas de dispersión convencionales. La temperatura ultra fría utilizada para congelar las nanohojas bloqueó eficazmente las moléculas en su lugar. La obtención de imágenes de la muestra en condiciones criogénicas ayudó a evitar que los electrones energéticos destruyeran la estructura. Para proteger aún más los materiales blandos del haz de electrones, los investigadores utilizaron menos electrones por imagen. Las imágenes obtenidas en estas condiciones se procesaron utilizando sofisticadas herramientas matemáticas y algoritmos de aprendizaje automático para producir imágenes de alta resolución de la estructura de escala atómica.

La síntesis de precisión combinada de polímeros peptoides, las imágenes atómicas de crio-TEM y el modelado computacional ayudaron a los científicos a comprender las estructuras de los polímeros a nivel atómico. Los investigadores ahora pueden realizar ediciones a nivel atómico para diseñar moléculas específicas. Esto allana el camino para diseñar de manera racional funciones sofisticadas en materiales blandos mediante el control sistemático de su estructura química. La investigación se llevó a cabo en parte en dos instalaciones para usuarios del Departamento de Energía, Molecular Foundry y Advanced Light Source.

Fondos

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, la División de Ciencias de los Materiales e Ingeniería. El trabajo en la Fundición Molecular y la Fuente de Luz Avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley fue apoyado por proyectos de usuarios en estas instalaciones de usuarios, apoyados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas. Las micrografías que se presentan aquí se obtuvieron en las instalaciones de Donner Cryo-TEM en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y en las instalaciones de Cryo-TEM del Área de la Bahía de Berkeley en UC Berkeley.

VER ESTUDIO ORIGINAL

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