Синтетические наночастицы достигли сложности белковых молекул

Химики из Университета Карнеги — Меллон продемонстрировали, что синтетические наночастицы могут достигать того же уровня структурной сложности, иерархии и точности, что и их природные аналоги — биомолекулы. Исследование, опубликованное в Science, также раскрывает атомные механизмы самосборки наночастиц.

Результаты работы лаборатории профессора химии Ронгчао Цзиня дают исследователям важное понимание того, как формируются наночастицы, и помогут направлять их конструирование. Это касается частиц для создания компьютерных чипов, новых материалов, лекарств и систем доставки препаратов.

Наночастицы обычно имеют размер от 1 до 100 нанометров. Частицы большего размера создать точно сложнее. Лаборатория Цзиня уже десять лет создает прецизионные золотые наночастицы. В 2015 году с помощью рентгеновской кристаллографии была установлена структура наночастицы Au₁₃₃, содержащей сложные самоорганизующиеся узоры, аналогичные природным.

В текущем исследовании целью было выяснить механизмы образования этих узоров. Под руководством аспиранта Чэньцзе Цзэна была установлена структура Au₂₄₆ — одной из самых крупных и сложных созданных на сегодня наночастиц и самой большой золотой наночастицы, чья структура определена методом рентгеновской кристаллографии. Au₂₄₆ оказалась идеальным кандидатом для изучения правил самосборки, так как содержит оптимальное число атомов и поверхностных лигандов, а её размер и масса сопоставимы с белковой молекулой.

Анализ структуры Au₂₄₆ показал, что частицы имеют с биомолекулами гораздо больше общего, чем просто размер. Было обнаружено, что лиганды в наночастицах самоорганизуются в ротационные и параллельные паттерны, поразительно похожие на паттерны вторичной структуры белков. Это может указывать на то, что наночастицы такого размера могут легко взаимодействовать с биологическими системами, открывая новые пути для разработки лекарств.

Исследователи также выяснили, что частицы Au₂₄₆ формируются, следуя двум правилам:

1. Максимизация взаимодействий между атомами (теоретизированный, но ранее не наблюдавшийся механизм).
2. Сопоставление симметричных поверхностных узоров (ранее не рассматривавшийся механизм). Это «сопоставление», подобное соединению частей пазла, показывает, что компоненты частицы могут распознавать друг друга по паттернам и спонтанно собираться в высокоупорядоченную структуру.

В будущих исследованиях Цзинь планирует расширить пределы кристаллизации до ещё более крупных частиц, а также изучить их электронные и каталитические свойства.