Molekulares Teamwork lässt den Bio-Traum funktionieren

Das Virus, das für die Infektion mit E. coli verantwortlich ist, hat eine Geheimwaffe: Teamwork.

Das Virus, das immer auf der Suche nach Überleben ist, landet auf einer unscheinbaren Wirtszelle und ergreift die Oberfläche mit dem geschäftlichen Ende seines röhrenförmigen Schwanzes. Dann ziehen sich die Proteine ​​im Schwanz gemeinsam zusammen, glätten seine Struktur wie eine Feder, auf die man getreten hat, und spulen den Körper des Virus für den kritischen Schlag ein.

Dank der Teamarbeit der Proteine ​​kann sich der Schwanz leicht biegen und abflachen. Dieser als molekulare Kooperativität bezeichnete Prozess wird häufig in der Natur beobachtet, jedoch selten in nicht lebenden Systemen.

Forscher des Beckman Institute for Advanced Science and Technology haben einen Weg entdeckt, dieses kooperative Verhalten in organischen Halbleitern auszulösen. Das Energie- und Zeitsparphänomen kann dazu beitragen, die Leistung von Smartwatches, Solarzellen und anderer organischer Elektronik zu verbessern.

Ihre Arbeit wurde zur Veröffentlichung angenommen in Naturkommunikation.

„Unsere Forschung erweckt Halbleiter zum Leben, indem sie die gleichen dynamischen Qualitäten freisetzt, die natürliche Organismen wie Viren nutzen, um sich anzupassen und zu überleben“, sagte Ying Diao, Forscher am Beckman Institute und Mitautor der Studie.

Viren mögen die molekulare Kooperativität gemeistert haben, aber das kann man von Kristallen nicht sagen: nicht lebende molekulare Strukturen, die durch ihre Symmetrie klassifiziert werden. Obwohl sie ästhetisch ansprechend sind, haben die Moleküle, aus denen kristalline Strukturen bestehen, Diva-ähnliche Dispositionen und arbeiten selten zusammen. Stattdessen stellen sie die Geduld der Forscher auf die Probe, indem sie Molekül für Molekül durch strukturelle Übergänge stapfen – ein Prozess, der bekanntermaßen durch Diamanten demonstriert wird, die aus Kohlenstoff wachsen, was glühende Hitze, starken Druck und Tausende von Jahren tief unter der Erde erfordert.

„Stellen Sie sich vor, Sie müssten ein aufwändiges Domino-Display Stein für Stein abbauen. Es ist anstrengend und mühsam, und wenn Sie fertig sind, hätten Sie höchstwahrscheinlich nicht die Energie, es noch einmal zu versuchen“, sagte Daniel Davies, Hauptautor der Studie und Forscher bei das Beckman Institute zum Zeitpunkt der Studie.

Im Gegensatz dazu treten kooperative Übergänge auf, wenn Moleküle ihre Struktur synchron verschieben, wie eine Reihe von Dominosteinen, die nahtlos auf den Boden fließen. Die kollaborative Methode ist schnell, energieeffizient und leicht umkehrbar – deshalb kann das Virus, das für die E. coli-Infektion verantwortlich ist, unermüdlich seinen proteinreichen Schwanz mit geringem Energieverlust kontrahieren.

Lange Zeit haben Forscher darum gekämpft, diesen kooperativen Prozess in unbelebten Systemen zu replizieren, um von seinen zeit- und energiesparenden Vorteilen zu profitieren. Dieses Problem war von besonderem Interesse für Diao und Davies, die sich fragten, wie sich molekulare Teamarbeit auf den Elektroniksektor auswirken könnte.

„Molekulare Kooperativität hilft lebenden Systemen, schnell und effizient zu arbeiten“, sagte Davies. „Wir dachten: „Wenn die Moleküle in elektronischen Geräten zusammenarbeiten, könnten diese Geräte dieselben Vorteile aufweisen?“

Diao und Davies untersuchen organische elektronische Geräte, die auf Halbleitern beruhen, die aus Molekülen wie Wasserstoff und Kohlenstoff und nicht aus anorganischen wie Silizium bestehen, einem allgegenwärtigen Bestandteil von Laptops, Desktops und intelligenten Geräten, die heute den Markt sättigen.

„Da organische Elektronik aus den gleichen Grundelementen wie Lebewesen wie Menschen hergestellt wird, eröffnen sie viele neue Anwendungsmöglichkeiten“, sagte Diao, der auch außerordentlicher Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign ist. „In Zukunft könnte organische Elektronik in der Lage sein, sich an unser Gehirn zu heften, um die Wahrnehmung zu verbessern, oder wie ein Pflaster getragen werden, um unsere Körperwärme in Strom umzuwandeln.“

Diao untersucht das Design von Solarzellen: hauchdünne Fensterfolien, die Sonnenlicht aufsaugen, um es in Strom umzuwandeln. Organische Halbleiter, die sich biegen können, ohne zu brechen und sich an die menschliche Haut anpassen, wären ebenfalls „ein wichtiger Teil der Zukunft organischer elektronischer Geräte“, sagte Davies.

Es ist in der Tat eine glänzende Zukunft, aber ein wichtiger Schritt zum Design dynamischer organischer Elektronik wie dieser ist die Herstellung dynamischer organischer Halbleiter. Dazu müssen die Halbleitermoleküle kooperieren.

Dominosteine ​​inspirierten die Forscher zu ihrem Ansatz, molekulare Teamarbeit in einem Halbleiterkristall auszulösen. Sie entdeckten, dass die Neuanordnung der Cluster aus Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen, die sich aus dem Kern eines Moleküls herausspulen – auch bekannt als Alkylketten – dazu führt, dass der Molekülkern selbst kippt und eine kristallweite Kollapskette auslöst, die die Forscher als „Lawine“ bezeichnen.

„Genau wie Dominosteine ​​bewegen sich die Moleküle nicht von ihrer Befestigung. Nur ihre Neigung ändert sich“, sagte Davies.

Aber eine Reihe von Molekülen zu kippen ist weder so einfach noch so taktil wie einen Dominostein aufzuheben und ihn um 90 Grad zu drehen. In einem Maßstab, der viel kleiner ist als ein Spielstein aus Plastik, wendeten die Forscher nach und nach Wärme auf die Alkylkette des Moleküls an; die erhöhte Temperatur löste den dominoähnlichen Effekt aus.

Die Verwendung von Wärme zur Neuanordnung der Alkylketten der Moleküle führte auch dazu, dass der Kristall selbst schrumpfte – genau wie der Schwanz des Virus vor der E. coli-Infektion. In einem elektronischen Gerät führt diese Eigenschaft zu einem einfachen, temperaturinduzierten Ein-Aus-Schalter.

Die Anwendungen dieser Entdeckung müssen noch vollständig verwirklicht werden; Vorerst sind die Forscher vom ersten Schritt begeistert.

„Der aufregendste Teil war, beobachten zu können, wie sich diese Moleküle verändern und wie sich ihre Struktur während dieser Übergänge entwickelt“, sagte Davies.

Die Erschließung des Potenzials der molekularen Zusammenarbeit war durch Teamarbeit auf internationaler Ebene möglich, wobei Forscher von der Purdue University, der Chinese Academy of Sciences und dem Argonne National Laboratory beteiligt waren. Raman-Spektroskopie wurde in der Beckman Institute Microscopy Suite durchgeführt.