Новая революционная теория переворачивает с ног на голову наши знания о самосборке заряженных макромолекул

Долго игнорируемые диполь-дипольные взаимодействия придают жизни форму. Исследователи недавно объявили об открытии с широким спектром последствий: оказалось, что однородно заряженные макромолекулы, либо молекулы, такие как белки или ДНК,  содержащие большое количество атомов с одинаковым электрическим зарядом, могут самособираться в очень большие структуры. Это открытие переворачивает наше понимание того, как строятся некоторые основные структуры жизни.

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте недавно объявили об этом важнейшем открытии в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Традиционно ученые понимали, что заряженные полимерные цепи состоят из более мелких однородно заряженных звеньев. Такие цепи, называемые полиэлектролитами, проявляют предсказуемый характер самоорганизации в воде: они будут отталкивать друг друга, поскольку объекты с одинаковым зарядом не любят располагаться рядом. Например, если добавить соль в воду, содержащую полиэлектролиты, молекулы свернутся в спираль, потому что электрическое отталкивание цепей экранируется солью.

Однако «игра идет совсем другая, когда у вас есть диполи», — говорит Муругаппан Мутукумар (Murugappan Muthukumar), профессор в области науки о полимерах и инженерии в Массачусетском университете в Амхерсте, старший автор исследования.

Притяжение между диполями нескольких макромолекул приводит к их мезоморфным сборкам, в отличие от типичного поведения полиэлектролитов. Источник: https://www.umass.edu/

В то время как многие молекулы (например, полиэлектролиты) имеют положительный либо отрицательный заряд, диполи имеют и то, и другое. Это означает, что полимеры, состоящие из диполей, ведут себя совершенно иначе, чем более привычные полиэлектролиты, они расширяются в солевом растворе и могут образовывать поперечные связи с другими дипольными полимерными цепями, что затем логично приводит к образованию сложных полимерных конструкций.

Ди Цзя (Di Jia), завершившая это исследование в рамках своего постдокторского обучения в Университете Массачусетса и являющаяся его ведущим  автором, говорит, что «диполи могут заставить полиэлектролиты вести себя больше как полицвиттер-ионы,  проявляющие т.н. «антиполиэлектролитный эффект». Этот эффект также характерен для традиционных химических полицвиттер-ионов, чьи диполи состоят из химических связей. Поэтому для физического полицвиттер-иона, в разбавленных растворах, размер полимера растет с увеличением ионной силы, проявляя переход от глобулы к клубку из-за внутреннего цепного дипольного взаимодействия».

Диполярные полимеры способны образовывать сложные саморегулирующиеся структуры, которые можно использовать во всем, от систем доставки лекарств до полимеров нового поколения. «Мы предполагаем, что эти диполярные силы в заряженных макромолекулах играют значительную роль почти во всех процессах биологической сборки, таких как спонтанное рождение безмембранных органелл», — говорит Мутукумар.

Кроме того, полимеры, состоящие из диполей, демонстрируют «промежуточное» состояние, называемое «мезоморфизмом». В мезоморфном состоянии полимеры не являются ни широко диспергированными, ни плотно свернутыми, а собраны в большие, стабильные, однородные структуры, способные «самоотравляться» или растворяться.

«Значение открытия того, что диполи управляют сборкой полимеров, огромно, — говорит Мутукумар, — потому что оно проливает новый свет на одну из фундаментальных тайн жизненных процессов», указывая на то, как биологические материалы умеют самособираться в когерентные, стабильные структуры. «Теория меняет парадигму того, что мы думаем об этих системах, и подчеркивает непризнанную роль, которую диполи играют в самосборке биологических материалов».

Источник истории: Материалы предоставлены Массачусетским университетом в Амхерсте. 

Первая публикация: Ди Цзя, Муругаппан Мутукумар. Дипольная интерлюдия мезоморфизма в растворах полиэлектролитов. Труды Национальной академии наук, 2022 г.; 119 (40) DOI: 10.1073/pnas.2204163119.

Источник: https://www.sciencedaily.com/

Источник: https://www.umass.edu/

28.09.2022