Простота — ключ к оптимизации дизайна на наноуровне
Исследователи MIT, изучающие структуру белковых материалов, обнаружили, что наиболее прочная конфигурация достигается не за счёт избыточности или сложных паттернов, а благодаря простому повторяющемуся паттерну: две стопки по четыре связанных альфа-спиральных белка.
Такая иерархическая структура (стопки и связки) обеспечивает одновременно высокую прочность (способность выдерживать механическое давление) и надёжность (работоспособность даже при наличии дефектов). Понимание свойств альфа-спиральных белков, служащих строительными блоками многих материалов, является предметом интенсивных научных исследований с 1940-х годов.
В статье, опубликованной 27 января в онлайн-выпуске Nanotechnology, Маркус Бюлер и Теодор Акбаров описывают модель работы белка на основе молекулярно-динамического моделирования. Они протестировали прочность и надёжность четырёх комбинаций из восьми альфа-спиральных белков:
- Одна стопка из восьми белков
- Две стопки по четыре связанных белка
- Четыре стопки по два связанных белка
- Двойные стопки по два связанных белка
Их модели воспроизводят реалистичное молекулярное поведение, включая образование водородных связей в спиралевидных белках.
«Традиционный способ проектирования материалов — рассматривать свойства на макроуровне, но более эффективный подход — манипулировать структурой на наноуровне. Это обеспечивает новую парадигму в инженерии, позволяя проектировать новый класс материалов», — заявил Бюлер.
Работа демонстрирует, что, перестраивая одни и те же наноэлементы в иерархические структуры, можно радикально изменить свойства материала, что может устранить необходимость изобретать новые материалы для разных приложений.
В последующем исследовании Бюлер и аспиранты MIT Чжао Цинь и Стив Крэнфорд провели аналогичные тесты, используя более 16 000 элементов. Они обнаружили, что 98% случайно организованных структур не достигали оптимального уровня производительности самособирающихся природных молекул, которые составляли оставшиеся 2%. Наиболее успешные из них снова использовали связки из четырёх альфа-спиральных белков.
Этот анализ показывает, что случайные конфигурации обычно приводят к худшим характеристикам, и может объяснить, почему многим инженерным материалам не удаётся сочетать такие разные свойства, как надёжность и прочность.
«Лишь несколько специфических наноструктурных конфигураций обеспечивают основу для оптимальной производительности материала, и это должно быть включено в процесс проектирования материалов», — сказал Бюлер.
Источник: Массачусетский технологический институт (MIT)