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Durante anos, sabemos que um tipo especial de montagem molecular conhecido como “complexo polieletrólito” ajuda as células a se manterem organizadas. Esses complexos são muito bons em formar interfaces para manter dois líquidos separados: suas células os usam para criar compartimentos. Essas habilidades levaram os cientistas a considerá-los para aplicações tecnológicas, incluindo filtragem de água, baterias melhores e até cola subaquática, bem como para melhores medicamentos farmacêuticos.
Mas, durante décadas, ninguém sabia exatamente como as regiões ficavam dentro de um complexo de polieletrólitos. Existem cadeias carregadas positivamente e carregadas negativamente, mas como elas se alinham? Eles estavam dispostos em linhas alternadas ou mais parecidas com o que um cientista russo chamou de “ovos mexidos”?
Um novo estudo da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago expôs pela primeira vez a estrutura interna de complexos de polieletrólitos.
“Conhecer a estrutura molecular significa que você pode sintetizá-los e prepará-los com mais precisão, o que cria oportunidades para aplicações”, disse o coautor do estudo, Juan de Pablo, professor de engenharia molecular da Liew Family e cientista sênior do Argonne National Laboratory.
Simulações e dispersão
Uma equipe de cientistas liderada por de Pablo e Matt Tirrell, reitor da Pritzker School of Molecular Engineering e também cientista sênior da Argonne, empreendeu uma exploração de anos para desvendar o mistério. Primeiro, os pesquisadores de pós-doutorado Artem Rumyantsev (agora no corpo docente da North Carolina State University) e Heyi Liang desenvolveram modelos moleculares e realizaram milhares de simulações, bem como cálculos teóricos baseados em mecânica estatística, para entender a maneira mais provável como essas moléculas se reuniriam. .
Em seguida, um grupo liderado pelo aluno de pós-graduação Yan Fang e pela pesquisadora de pós-doutorado Angelika Neitzel (agora na Universidade da Flórida) trabalhou para criar versões precisas dessas moléculas em laboratório e usar uma técnica avançada para determinar sua estrutura.
Uma das poucas maneiras de ver os detalhes dessas moléculas é com uma técnica chamada dispersão de nêutrons. Isso é feito enviando feixes de nêutrons – as partículas neutras que compõem os núcleos atômicos – nas moléculas e, em seguida, reconstruindo seus padrões a partir da maneira como os nêutrons se espalham. Mas normalmente, as cadeias carregadas positivamente e negativamente parecem as mesmas quando você faz isso.
Para diferenciá-los, os pesquisadores usaram um truque inteligente. Ambas as cadeias têm átomos de hidrogênio nelas. Mas a equipe substituiu os átomos de hidrogênio nas cadeias carregadas positivamente por uma versão ligeiramente diferente do hidrogênio, conhecida como deutério, que aparece de maneira diferente quando os nêutrons se espalham.
Usando essa abordagem, eles puderam ver que as cadeias tinham padrões distintos de repetição em pequena escala, embora não fossem rigorosamente ordenadas em longas distâncias.
‘Uma combinação poderosa’
Os cientistas explicaram que, uma vez que você conhece a estrutura molecular dessas moléculas, pode pensar em usá-las para outras aplicações. Além de serem importantes para a compreensão de como nossos corpos e biologia funcionam, as habilidades únicas dos complexos de polieletrólitos os tornam muito atraentes para cientistas e engenheiros.
“Essas gotículas ainda têm muita água com elas, o que torna sua tensão interfacial baixa – então elas tendem a encapsular objetos ou se espalhar sobre superfícies e aderir, comportamentos muito úteis”, explicou Tirrell. “Você pode usar isso para administrar drogas no corpo ou para coisas como projetar um adesivo subaquático”.
Tirrell acrescentou que o estudo é um modelo de como grupos científicos teóricos e experimentais podem trabalhar juntos: “É uma combinação muito poderosa dessas duas abordagens. Não teria acontecido com nenhum dos grupos trabalhando isoladamente”.
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