Samoorganizacja polimerów o zdefiniowanej sekwencji w kierunku materiałów naśladujących systemy żywe – MimicLS

Tworzenie syntetycznych materiałów polimerowych o stopniu złożoności i wyrafinowania porównywalnym z materią ożywioną jest od dawna jednym z głównych celów nauki o materiałach. W organizmach żywych samoorganizacja korzysta z procesów ewolucyjnych, które dostrajają oddziaływania molekularne w celu optymalizacji właściwości, morfologii i funkcjonalności powstających biomateriałów. Natura wykorzystuje sekwencję pierwotną naturalnych makrocząsteczek (np. białek), które fałdują się w określone struktury i samoorganizują się w złożone układy o różnych właściwościach.

W przeciwieństwie do tego, syntetyczne materiały polimerowe są jeszcze dalekie od funkcjonalności obserwowanych w układach biologicznych. Z perspektywy innowacji materiałowej kluczowe jest więc zaprojektowanie odpowiednich oddziaływań między elementami budulcowymi tak, aby umożliwić ich uporządkowaną samoorganizację w z góry zaplanowane architektury hierarchiczne o określonych funkcjach.

W ostatnich latach duże zainteresowanie wzbudziła samoorganizacja peptydów. Chociaż samoorganizacja peptydów o zdefiniowanej sekwencji była intensywnie badana pod kątem zastosowań jako materiały funkcjonalne, to jednak trudności w syntezie na dużą skalę oraz szybka degradacja peptydów pozostają poważnymi wyzwaniami, ograniczającymi ich zastosowanie poza badaniami typu proof-of-concept.

Polimery abiotyczne o zdefiniowanej sekwencji mogą potencjalnie pokonać te ograniczenia, przy zastosowaniu podobnych strategii jak w przypadku peptydów. Dzięki „naturalnemu” charakterowi wynikającemu ze struktury pierwotnej, polimery o zdefiniowanej sekwencji stwarzają możliwość tworzenia nowych zastosowań materiałów abiotycznych, wykraczających poza obecny stan wiedzy. Jednak dotychczas bardzo niewiele wiadomo na temat fałdowania pojedynczych łańcuchów makrocząsteczek nienaturalnych o dobrze zdefiniowanej strukturze pierwotnej, a ich samoorganizacja w złożone struktury supramolekularne nie została jeszcze zbadana.

Wyzwania tego podjęły się wspólnie dwa zespoły badawcze o komplementarnych kompetencjach:

• Zespół Funkcjonalnych Makrocząsteczek Rozy Szwedy z Łukasiewicz – PORT, Polska – chemiczka specjalizująca się w chemii polimerów i samoorganizacji biokonjugatów polimerowych, z dużym doświadczeniem w badaniach nad polimerami o zdefiniowanej sekwencji;
• Zespół Takuji Adachiego z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Genewskiego w Szwajcarii – chemik fizyczny, specjalista w dziedzinie spektroskopii optycznej materiałów samoorganizujących się, rozwijający narzędzia spektroskopii in situ do badania dynamiki procesu samoorganizacji.

Projekt ma na celu poznanie podstawowych mechanizmów samoorganizacji abiotycznych polimerów o zdefiniowanej sekwencji. Wiedza ta jest niezbędna do tworzenia syntetycznych materiałów o strukturze i funkcjonalności zbliżonej do tych, które obserwujemy w organizmach żywych.

Projekt obejmuje trzy główne cele badawcze:

1. opracowanie metody syntezy wysokocząsteczkowych poli(karbaminianów) o zdefiniowanej sekwencji z zastosowaniem podejścia mechanochemicznego,
2. badania ich samoorganizacji,
3. charakterystyka właściwości materiałowych.

Celem jest zrozumienie, jak sekwencja monomerów i ich stereochemia wpływają na agregację nienaturalnych poli(karbaminianów) w hierarchiczne i złożone architektury, zarówno w roztworze, jak i w stanie stałym. Zastosowane zostaną metody mikrospektroskopii in situ, aby uzyskać wgląd w mechanizm procesu samoorganizacji. Przeanalizowane zostanie również, w jaki sposób struktura pierwotna wpływa na właściwości reologiczne i termiczne materiałów, co pozwoli na precyzyjne dostosowanie ich cech i funkcjonalności.

Kontrola nad sekwencją monomerów i zrozumienie zależności struktura–właściwości stanowić będą potężne narzędzie do projektowania funkcjonalnych materiałów od podstaw.