Нанокластеры имитирующие биомолекулы создают исследователи

Биологические системы бывают всех форм, размеров и структур. Некоторые из этих структур, такие как структуры ДНК, РНК и белков, образуются в результате сложных молекулярных взаимодействий, которые нелегко дублировать, используя неорганические материалы.

В чем суть нового открытия

Группа исследователей во главе с Ричардом Робинсоном, доцентом материаловедения и инженерии современных технологий , открыла способ связывать и складывать наноразмерные кластеры молекул меди, которые могут самособираться и имитировать эти сложные структуры биосистем в разных масштабах. Кластеры предоставляют платформу для разработки новых каталитических свойств, которые выходят за рамки того, что могут предложить традиционные материалы.

Статья команды «Третичная иерархическая сложность в сборках металлических хиральных кластеров с серным мостиком» опубликована в журнале Американского химического общества. «Просто иметь возможность создавать неорганические кластеры и точно определять положение атомов - это относительно новая область, потому что неорганические кластеры не так легко собираются в организованные кристаллы, как это делают органические молекулы. Когда мы их собрали, мы обнаружили эту странную иерархическую организацию, что действительно удивляло», - сказал Робинсон, старший автор статьи.

«Эта работа может обеспечить фундаментальное понимание того, как целые биосистемы, такие как белки, собираются для создания вторичной структурной организации, и дает нам возможность начать создавать что-то, что может имитировать естественную живую систему».

Нанокластеры имеют три уровня организации с взаимосвязанной хиральной структурой. Два медных колпачка снабжены специальными связывающими молекулами, известными как лиганды, которые расположены под углом, как лопасти пропеллера, причем один набор наклоняется по часовой стрелке, а другой - против (или влево и вправо), и все они соединяются с сердечником. Кластеры меди связаны с серой и имеют смешанную степень окисления, что делает их более активными в химических реакциях.

Потенциальное применение открытия

Гибкая адаптивная природа кластеров делает их потенциальными кандидатами для метаболических и ферментативных процессов, а также ускорения химических реакций за счет катализа. Например, они могут восстанавливать диоксид углерода до спиртов и углеводородов.

«Мы хотели бы разработать каталитические материалы с характеристиками, имитирующими природные ферменты», - сказал соавтор Джин Сунтивич, доцент кафедры материаловедения и инженерии. «Поскольку в нашем кластере всего 13 атомов меди, контролировать структуру можно относительно легко. Имея этот более высокий уровень контроля, мы можем думать о систематическом построении кластеров. Это может помочь выявить, как каждый атом участвует в реакциях и как рационально разработать лучший атом.

Мы рассматриваем это как путь к созданию ферментов, где атомы собраны точным образом для обеспечения высокоселективного катализа». В то время как другие неорганические кластеры имеют тенденцию обмениваться электронами и изменять свои свойства при воздействии кислорода, лиганды стабилизируют нанокластер на протяжении более продолжительных жизненных циклов, делая его надежно стабильным на воздухе. А поскольку лиганды являются сильными проводниками электронов, кластеры могут быть полезны в органической электронике, квантовых вычислениях и светооптических переключателях.

Группа Робинсона сейчас пытается воспроизвести ту же трехуровневую иерархию с другими металлами. «Ученые-материаловеды и ученые-химики пытались создавать эти сложные иерархические структуры в лаборатории, и мы думаем, что наконец-то получили то, чего никто не видел, и что мы можем использовать для будущих исследований», - сказал Робинсон.