I polimeri sintetici sono materiali onnipresenti nella vita moderna, che includono tessuti come il nylon e il poliestere, pentole rivestite in Teflon e adesivi epossidici. A livello molecolare, questi polimeri sono costituiti da lunghe catene di monomeri, la cui complessità aumenta la funzionalità di questi materiali diversi.
In particolare, i copolimeri, che consistono di diversi tipi di monomeri nella stessa catena, consentono di regolare finemente le proprietà del materiale, ha affermato Peng Chen, professore di chimica presso il College of Arts and Sciences. La sequenza dei monomeri gioca un ruolo fondamentale nelle proprietà di un materiale, ma fino ad ora gli scienziati non avevano un metodo per sequenziare i copolimeri sintetici.
CREATS: Una nuova tecnica di sequenziamento
Chen e i suoi colleghi hanno sviluppato CREATS (Coupled REaction Approach Toward Super-resolution imaging), che consente loro di visualizzare le reazioni di catalisi della polimerizzazione con risoluzione a singolo monomero e, attraverso la segnalazione fluorescente, di differenziare i monomeri l’uno dall’altro. Entrambi sono passaggi importanti nella scoperta della composizione molecolare di un polimero sintetico.
Descrivono la tecnica e le prime scoperte che hanno fatto con essa in uno studio recente pubblicato sulla rivista Nature Chemistry.
Importanza della sequenza dei monomeri
La sequenza gioca un ruolo anche nelle proprietà dei polimeri naturali, ha detto Chen. Una proteina, ad esempio, è composta da 20 monomeri di aminoacidi disposti in una sequenza molto specifica.
“In un polimero naturale, la natura ha il controllo”, ha detto Chen. “Nei polimeri sintetici, sono gli umani a fare gli arrangiamenti, e i chimici generalmente non hanno quel controllo preciso.”
Sequenziare i copolimeri è così difficile in gran parte a causa dell’eterogeneità nei polimeri sintetici, ha detto Chen. Le singole catene differiscono in lunghezza, composizione e sequenza, il che richiede metodi di sequenziamento di singoli polimeri che possono risolvere e identificare i singoli monomeri.
Alcuni metodi moderni consentono agli scienziati di controllare la disposizione dei monomeri in una catena, ha detto Chen, ma solo per polimeri molto corti – da 10 a 20 monomeri di lunghezza.
Il futuro della progettazione dei polimeri
Utilizzando CREATS, i ricercatori possono determinare la sequenza di un polimero mentre viene prodotto, un monomero alla volta, visualizzando e identificando ogni singolo monomero mentre viene aggiunto al polimero. Per rendere visibili i monomeri, CREATS accoppia la reazione di polimerizzazione con un’altra reazione che produce segnali fluorescenti.
“Ogni monomero che entra emette un soffio di luce”, ha detto Chen. “La luce è indotta da un laser, e il soffio di luce ha un colore. Nel nostro caso, è verde o giallo. Vedendo se è giallo o verde, vediamo quale monomero entra.”
Il laboratorio è già attrezzato per misurare le proprietà dei polimeri sintetici. Ora che possono determinare la sequenza di un singolo polimero, il passo successivo è combinare i due esperimenti per correlare struttura e funzione, fornendo infine principi guida per la progettazione dei polimeri per ottenere determinate proprietà.
“Se sai come la sequenza controlla la proprietà, puoi davvero pensare di progettare qualsiasi sequenza tu voglia per ottenere una certa proprietà”, ha detto Chen. “Questa conoscenza presumibilmente può aiutare le persone a personalizzare i loro materiali per un’applicazione desiderata.”
