Les macromolécules dans diverses phases peuvent s’adsorber sur les systèmes naturels, les matériaux composites et les dispositifs à couche mince. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiquesYuma Morimitsu et une équipe de recherche en chimie appliquée et interfaces polymères et adhésion moléculaire ont utilisé la microscopie à force atomique (AFM) pour visualiser des ADN double brin bien définis et ont effectué des simulations de dynamique moléculaire pour identifier les mécanismes d’adsorption des chaînes polymères sur des surfaces solides.
Les résultats de l’étude peuvent contribuer au développement de composites et de films polymères légers et durables dans une variété d’applications industrielles, biomédicales et environnementales.
Le comportement d’adsorption des molécules en forme de cordes
L’homéostasie de la vie implique systèmes naturels de biomolécules tels que des protéines ou des acides nucléiques qui peuvent s’adsorber sur une interface solide. Cela a été un sujet d’intérêt dans les domaines de l’ingénierie des polymères depuis plusieurs décennies. Par exemple, la couche de polymère adjacente à une surface solide a une structure distincte de celle de la masse, où leur états d’agrégation et mouvement moléculaire thermique peuvent complètement différer de ceux de la masse et sont donc critiques pour les performances des composites polymères et des dispositifs à couches minces.
Les méthodes d’immersion et de spin-coating sont des exemples classiques de la physisorption de chaînes polymères à partir d’un système de solution pour adsorber des macromolécules sur une surface. Dans ce travail, Morimitsu et ses collègues ont directement visualisé trois ADN double brin de différentes longueurs via microscopie à force atomique (AFM) pour fournir des informations sur le comportement d’adsorption des molécules en forme de chaîne d’une solution à une surface solide.
L’adsorption initiale des chaînes d’ADN double brin
Au cours de l’étude, l’équipe de recherche a observé directement des molécules simples pour comprendre l’extension de l’ADN double brin (dsDNA) sur un solide. Pour ce faire, ils ont examiné la dimension de chaîne des chaînes d’ADN double brin d’une solution sur un solide.
Dans ce cas, les chaînes d’ADN étaient prises en sandwich entre une paroi dure et des molécules liquides, où un côté de la chaîne était en contact avec un substrat solide, tandis que l’autre était en contact avec une solution. Les résultats ont mis en évidence le potentiel des chaînes d’ADN à s’adsorber sur le mica et d’autres substrats. Ensuite, l’équipe a observé les mécanismes d’adsorption coopérative, où les chaînes partiellement adsorbées étaient dans un état intermédiaire, tandis que certains segments cherchaient des sites d’adsorption sur le solide.
Formation de la couche interfaciale
Les chercheurs ont ensuite examiné la formation d’une couche interfaciale sur un solide et ont obtenu des images de microscopie à force atomique (AFM) pour des spécimens après avoir incubé une solution d’ADN double brin dans un tampon contenant du nickel pendant différentes périodes. À mesure qu’ils augmentaient le temps d’incubation, la quantité de chaînes d’ADN adsorbées augmentait. Au bout de 10 à 60 minutes, le substrat de mica était recouvert d’ADN, tandis que de nombreux brins se chevauchaient en raison de l’adsorption coopérative. Les chercheurs ont noté une densité de chaîne accrue à environ 120 à 140 minutes.
L’équipe a quantifié la quantité d’ADN adsorbée sur le mica pour montrer la couverture de surface et l’analyse de l’adsorption de l’ADN en fonction du temps d’incubation. Ils ont estimé la quantité d’ADN adsorbée à la surface du mica et celle flottant dans la solution tampon. Au cours de l’adhésion coopérative, le processus d’adsorption de molécules en forme de cordes sur des surfaces solides est devenu plus rapide. Ils ont utilisé simulations de dynamique moléculaire à gros grains pour vérifier l’hypothèse d’adsorption de la chaîne d’ADN.
L’équipe a ensuite étudié l’influence des états d’agrégation des couches interfaciales sur les propriétés mécaniques des matériaux composites. Ils y sont parvenus via un modèle de films en vrac constitués d’ADN et de dihydrogénophosphate de choline hydraté, qui ressemblait à du caoutchouc à température ambiante, et ont ensuite mesuré leurs propriétés de traction.
Perspectives
L’équipe a observé la dynamique de l’ADN double brin en solution, tout en notant leur existence libre. Par la suite, ils ont noté comment un segment de la chaîne d’ADN interagissait avec une surface solide pour créer un segment partiellement adsorbé. Yuma Morimitsu et ses collègues ont utilisé la visualisation directe basée sur l’AFM (microscopie à force atomique) pour révéler la dimension des chaînes polymères adsorbées sur une surface et ont comparé la dynamique à celle dans un état de solution.
Sur la base des simulations, ils ont révélé que contrairement aux petites molécules qui adhèrent à L’hypothèse de Langmuir; dans lequel une surface donnée a un certain nombre de sites pour qu’une espèce se colle par chimisorption ou physisorption, les polymères d’ADN étant adsorbés sur la surface de manière isolée et coopérative. Au cours des travaux, l’équipe a observé une dispersion étroite d’ADN double brin pour donner un aperçu de l’image macromoléculaire.
Les résultats peuvent conduire à la conception de couches interfaciales et à la formation de matériaux composites à base de polymères pour des applications dans les domaines industriels, environnementaux et biomédicaux.
Plus d’information:
Yuma Morimitsu et al, Visualisation directe de l’adsorption coopérative d’une molécule en forme de chaîne sur un solide, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn6349
Kumaran S. Ramamurthi et al, Cue géométrique pour la localisation des protéines dans une bactérie, La science (2009). DOI : 10.1126/science.1169218
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