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Sabato, Febbraio 4, 2023

I chimici di Princeton creano punti quantici a temperatura ambiente utilizzando proteine ​​personalizzate

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Il professor Michael Hecht e il suo gruppo di ricerca a Princeton hanno fatto una scoperta significativa nel campo della chimica creando la prima proteina de novo conosciuta che catalizza la sintesi di punti quantici. I punti quantici sono nanocristalli con proprietà fluorescenti che vengono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni elettroniche, inclusi schermi LED e pannelli solari. Questo nuovo metodo di creazione di punti quantici ha il potenziale per essere più sostenibile e rispettoso dell'ambiente rispetto ai metodi attuali, in quanto dimostra che i materiali funzionali possono essere sintetizzati utilizzando sequenze proteiche che non derivano dalla natura.


I ricercatori del Dipartimento di Chimica di Princeton hanno scoperto la prima proteina de novo conosciuta che catalizza, o guida, la sintesi di punti quantici.

La natura usa 20 canonici

amminoacidi
Gli amminoacidi sono un insieme di composti organici utilizzati per costruire le proteine. Ci sono circa 6 amminoacidi conosciuti presenti in natura, anche se solo 0 compaiono nel codice genetico. Le proteine ​​sono costituite da una o più catene di amminoacidi chiamate polipeptidi. La sequenza della catena di amminoacidi fa sì che il polipeptide si pieghi in una forma biologicamente attiva. Le sequenze amminoacidiche delle proteine ​​sono codificate nei geni. Nove amminoacidi proteinogenici sono chiamati "essenziali" per l'uomo perché non possono essere prodotti da altri composti dal corpo umano e quindi devono essere assunti come cibo.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>amminoacidi come elementi costitutivi per creare proteine, combinando le loro sequenze per creare molecole complesse che svolgere funzioni biologiche.


Ma cosa succede con le sequenze non selezionati dalla natura? E quali possibilità risiedono nella costruzione di sequenze completamente nuove per creare romanzi, o ancora, proteine ​​che somigliano poco a qualcosa in natura?

Un'immagine di punti quantici presa al microscopio elettronico. Questi punti quantici sono stati prodotti nell'Hecht Lab usando proteine ​​de novo. Ciascuno di essi ha un diametro di 2 nanometri, un fattore importante poiché la dimensione delle particelle determina il colore in cui brillano, o emettono fluorescenza. Credito: per gentile concessione dei laboratori Hecht e Scholes

Questo è il terreno dove Michael Hecht, professore di chimica, lavora con il suo gruppo di ricerca. E recentemente, la loro curiosità per la progettazione delle proprie sequenze ha dato i suoi frutti.


Hanno scoperto il primo conosciuto de novo (appena creata) proteina che catalizza, o guida, la sintesi di punti quantici. I punti quantici sono nanocristalli fluorescenti utilizzati in applicazioni elettroniche, dagli schermi LED ai pannelli solari.

Il loro lavoro apre le porte alla realizzazione di nanomateriali in modo più sostenibile, dimostrando che le sequenze proteiche non derivate dalla natura possono essere utilizzate per sintetizzare materiali funzionali, con notevoli benefici per l'ambiente.

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I punti quantici sono normalmente realizzati in ambienti industriali con temperature elevate e solventi tossici e costosi, un processo che non è né economico né rispettoso dell'ambiente. Ma Hecht e il suo gruppo di ricerca hanno portato a termine il processo in laboratorio utilizzando l'acqua come solvente, creando un prodotto finale stabile a temperatura ambiente.


"Siamo interessati a creare molecole di vita, proteine, che non sono nate nella vita", ha detto Hecht, che ha guidato la ricerca con Greg Scholes, professore di chimica William S. Tod e presidente del dipartimento. “In un certo senso ci stiamo chiedendo, ci sono alternative alla vita così come la conosciamo? Tutta la vita sulla terra è nata da una discendenza comune. Ma se creiamo molecole realistiche che non derivano da antenati comuni, possono fare cose interessanti?

"Quindi qui, stiamo producendo nuove proteine ​​che non sono mai nate nella vita facendo cose che non esistono nella vita."

Il processo del team può anche regolare la dimensione delle nanoparticelle, che determina il colore dei punti quantici che brillano, o fluoresce, in. Ciò offre possibilità di etichettare le molecole all'interno di un sistema biologico, come la colorazione delle cellule tumorali in vivo.

Il professor Michael Hecht, studente laureato del quinto anno e coautore della ricerca sui punti quantici Yueyu Yao, nel Frick Laboratory. Credito: foto di Jesse Condon

"I punti quantici hanno proprietà ottiche molto interessanti a causa delle loro dimensioni", ha affermato Yueyu Yao, coautore dell'articolo e studente laureato del quinto anno nel laboratorio di Hecht. “Sono molto bravi ad assorbire la luce e convertirla in energia chimica, il che li rende utili per essere trasformati in pannelli solari o qualsiasi tipo di sensore fotografico.

"Ma d'altra parte, sono anche molto bravi a emettere luce a una certa lunghezza d'onda desiderata, il che li rende adatti alla realizzazione di schermi LED".

E poiché sono piccoli - composti solo da circa 100 atomi e forse 2 nanometri di diametro - sono in grado di penetrare alcune barriere biologiche, rendendo la loro utilità nei farmaci e nell'imaging biologico particolarmente promettente.

Perché usare de novo proteine?

“Penso di usare de novo le proteine ​​​​aprono una strada alla designabilità “, ha affermato Leah Spangler, autrice principale della ricerca ed ex postdoc presso lo Scholes Lab. “Una parola chiave per me è 'ingegneria'. Voglio essere in grado di ingegnerizzare le proteine ​​per fare qualcosa di specifico, e questo è un tipo di proteina con cui puoi farlo.



"I punti quantici che stiamo creando non sono ancora di ottima qualità, ma possono essere migliorati regolando la sintesi", ha aggiunto. "Possiamo ottenere una migliore qualità ingegnerizzando la proteina per influenzare la formazione di punti quantici in modi diversi".

Leah Spangler, autrice principale dell'articolo, in Frick Lab l'anno scorso. Credito: foto di
C. Todd Reichart, Dipartimento di Chimica

Sulla base del lavoro svolto dall'autore corrispondente Sarangan Chari, un chimico senior nel laboratorio di Hecht, il team ha utilizzato un de novo proteina che ha progettato chiamato ConK per catalizzare la reazione. I ricercatori hanno isolato per la prima volta ConK nel 2016 da una vasta libreria combinatoria di proteine. È ancora fatto di amminoacidi naturali, ma si qualifica come "de novo” perché la sua sequenza non ha alcuna somiglianza con una proteina naturale.

I ricercatori hanno scoperto che ConK ha permesso la sopravvivenza di E. coli in concentrazioni altrimenti tossiche di rame, suggerendo che potrebbe essere utile per il legame e il sequestro dei metalli. I punti quantici usati in questa ricerca sono fatti di solfuro di cadmio. Il cadmio è un metallo, quindi i ricercatori si sono chiesti se ConK potesse essere utilizzato per sintetizzare punti quantici.


La loro intuizione ha dato i suoi frutti. ConK scompone la cisteina, uno dei 20 aminoacidi, in diversi prodotti, incluso l'idrogeno solforato. Questo funge da fonte attiva di zolfo che reagirà poi con il metallo cadmio. Il risultato sono punti quantici CdS.

"Per creare un punto quantico di solfuro di cadmio, è necessario che la fonte di cadmio e la fonte di zolfo reagiscano in soluzione", ha affermato Spangler. “Quello che fa la proteina è rendere la fonte di zolfo lentamente nel tempo. Quindi, inizialmente aggiungiamo il cadmio, ma la proteina genera lo zolfo, che poi reagisce per creare dimensioni distinte di punti quantici".

Riferimento: "Una proteina de novo catalizza la sintesi di punti quantici semiconduttori" di Leah C. Spangler, Yueyu Yao, Guangming Cheng, Nan Yao, Sarangan L. Chari, Gregory D. Scholes e Michael H. Hecht, 12 dicembre 2022, Atti della National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073 / pnas.2204050119

Questa ricerca è stata supportata dal programma MRSEC della National Science Foundation (DMR-2011750), the

Università di Princeton
Fondata nel 1746, la Princeton University è un'università di ricerca privata della Ivy League a Princeton, nel New Jersey, e il quarto istituto di istruzione superiore più antico degli Stati Uniti. Fornisce istruzione universitaria e laureata in discipline umanistiche, scienze sociali, scienze naturali e ingegneria.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Princeton University Writing Centre e Canadian Institute for Advanced Research. La ricerca è stata anche supportata dalla sovvenzione NSF MCB-1947720 a MH.


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