מדענים מהמעבדה הלאומית במשרד האנרגיה של ארה”ב “אילצו” פולימרים לשזור את עצמם לכדי חבלים ננומטריים זעירים – חומרים המתקרבים למורכבות המבנית של חומרים ביולוגיים.
מחקר זה מהווה את ההתפתחות האחרונה במאמץ לפתח חומרים ננומטריים המתארגנים מעצמם ואשר מחקים את המורכבות ואת התפקודיות של מערכות טבעיות, ויחד עם זאת, מספיק יציבים בכדי לעמוד בפני תנאים חריפים כגון חום ויובש.
למרות שהמחקר הוא בתחילת דרכו, תוצאותיו תוכלנה להוביל ליישומים חדשים המשלבים בתוכם את המיטב משני העולמות. ייתכן וניתן יהיה להשתמש בחומרים החדשים כמבני פיגום המכווינים את הבנייה של ננו-חוטים ומבנים ננומטריים אחרים. או שאולי הם יוכלו לשמש בפיתוח של נשאים להעברת תרופות המשפיעות על המחלה ברמה המולקולארית, או על-מנת לפתח חיישנים מולקולאריים והתקני סינון המפרידים מולקולות אחת מהשנייה.
באופן מעשי, המדענים מצאו את התנאים שבהם פולימרים סינתטיים, המכונים “פוליפפטואידים” (polypeptoids), מתארגנים מעצמם למבנים הרבה יותר מורכבים: תחילה למבנה של יריעות, ואז לערימות של אותן היריעות, ואשר בתורן מתקפלות לכדי סלילים כפולים הדומים לחבל שזור בעל קוטר של 600 ננומטרים בלבד.
“התארגנות עצמית מדורגת זו הינה סימן ההיכר של חומרים ביולוגיים רבים, כדוגמת קולגן (המונח בוויקיפדיה), אולם תכנון ופיתוח מבנים סינתטיים המבצעים זאת היו עד כה אתגר רציני,” אומר Ron Zuckermann, שהוא מנהל המתקן לננו-מבנים ביולוגיים במעבדה.
בנוסף, ובניגוד לפולימרים רגילים, המדענים יכולים לשלוט בסידור מבנה הננו-חבל ברמה של אטום בודד. הם יכולים גם לייצר סלילים בעלי אורכים ורצפים מוגדרים לפי הזמנה. יכולת “כוונון” זו פותחת את הצוהר לאפשרויות פיתוח של מבנים סינתטיים המחקים את יכולתם של חומרים ביולוגיים לבצע משימות מדויקות ביותר, כגון ההתבייתות על מולקולות מוגדרות.
“הטבע משתמש באורכים וברצפים מדויקים על-מנת לייצר מבנים בעלי יכולת תפקוד גבוהה ביותר. נוגדן, כדוגמא, מסוגל להכיר צורה אחת של חלבון ולא צורה אחרת, ואנו מעוניינים לחקות את היכולת הזו,” מציין החוקר. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society.
המדענים השתמשו בשרשראות של פולימרים בעלי דמיון לפולימרים טבעיים, ואשר מכונים פפטואידים (peptoids, המונח בוויקיפדיה). פפטואידים הינם מבנים המחקים את ההרכב של פפטידים, אותן אבני-הבניין שבהן משתמש הטבע בכדי ליצור חלבונים – לב ליבה של הביולוגיה. במקום להשתמש בפפטידים על-מנת לבנות חלבונים, המדענים שואפים להשתמש בפפטואידים על-מנת לבנות מבנים סינתטיים המתנהגים כחלבונים.
המדענים החלו את המחקר ע”י שימוש בבלוק קו-פולימרים, פולימרים המורכבים משני סוגים שונים, או יותר, של מונומרים (אבני-בניין).
“בלוק קו-פולימרים פשוטים אומנם מתארגנים מעצמם למבנים ננומטריים, אולם אנו רצינו לבחון כיצד הרצף והתפקוד המדוייק של יחידות מחקות-ביולוגיה ניתנים לשימוש על-מנת להכין מבנים מורכבים יותר,” מציינת אחת מהחוקרות. לאור זאת, יחידות הפפטואידים מסונתזות באופן אוטומאטי, מעובדות ואז מוספות לתמיסה המעודדת התארגנות עצמית.
התוצאה הייתה מגוון של צורות ומבנים שנוצרו באורח עצמאי, כאשר הסלילים השזורים היו המרתקים ביותר מביניהם. המבנה המדורג של הסליל, וכן היכולת להשפיע על כל אטום ואטום בו בנפרד, משמעם שחומר זה יוכל לשמש כתבנית להכנת מבנים מורכבים בקנה-מידה ננומטרי.
“הרעיון הינו להכין צורות ננומטריות בעלות מבנים מורכבים בהשקעה מזערית,” מציינת אחת מהחוקרות. השלב המחקרי הבא של המדענים יהיה לבחון מהן ההשפעות של שינויים כימיים קטנים על מבנה הסליל.
אומר החוקר הראשי: “הסלילים השזורים מהווים את השלב הראשון בהכנה אוטומטית של בלוק קו-פולימרים מוגדרים לפי הזמנה. הרעיון הוא ליצור משהו שבעיני רוחנו נדמה לפלסטיק, אולם הוא יכול לסגל לעצמו מבנים מורכבים ותפקודיים יותר מהרגיל, כגון מבנים להכרה מולקולארית, דבר שהחלבונים מבצעים כה טוב.”
