Para ilmuwan telah mengidentifikasi properti baru, fleksibilitas antarmuka, yang mengontrol bagaimana molekul tertentu secara alami mengatur diri sendiri menjadi jaringan supramolekul kristal. Penemuan yang signifikan ini dapat mengubah desain molekul sintetis untuk pertumbuhan jaringan di skala nano.
Ikatan kovalen adalah fenomena yang dipahami secara luas yang bergabung dengan atom molekul oleh pasangan elektron bersama. Tetapi di alam, pola molekul juga dapat dihubungkan melalui kekuatan yang lebih lemah dan lebih dinamis yang menimbulkan jaringan supramolekul. Ini dapat merakit diri dari gugus molekul awal, atau kristal, dan tumbuh menjadi arsitektur besar yang stabil.
Jaringan supramolekul sangat penting untuk mempertahankan struktur dan fungsi sistem biologis. Misalnya, untuk 'makan', sel mengandalkan jaringan supramolekul heksagonal yang merakit diri dari unit clathrin protein tiga bersenjata. Jaringan clathrin membentuk gelembung di sekitar nutrisi untuk membawanya ke dalam sel. Demikian pula, protein yang disebut trim5a membentuk kisi heksagonal yang terbentuk di sekitar virus HIV, membantu mengganggu replikasi mereka.
“Struktur jaringan heksagonal ini ada di mana -mana di alam – Anda bahkan dapat melihatnya di makro dalam sarang lebah, misalnya,” jelas Maartje Bastings, kepala Lab Biomaterials yang dapat diprogram (PBL) di EPFL School of Engineering.
Untuk studi terbaru mereka yang diterbitkan di Kimia Alam para peneliti dari PBL dan Laboratorium untuk Bioand Nano-Instrumentasi (LBNI), dipimpin oleh Georg Fantner, menggunakan untaian DNA nanoengineered dalam bentuk bintang tiga poin untuk mengisolasi dan memeriksa berbagai faktor yang mengendalikan formasi jaringan supramolekul kristal. Dalam prosesnya, mereka menemukan “parameter yang menentukan” bahkan lebih penting daripada kekuatan atau angka ikatan kimia.
'Fleksibilitas antarmuka akan selalu menang'
Seperti DNA manusia, komposisi molekul DNA bintang tiga poin bervariasi dengan urutan nukleotida, yang mempengaruhi kekuatan interaksi mereka (afinitas) dengan molekul tetangga. Tetapi untuk penelitian ini, para peneliti memperkenalkan variabel tambahan: melalui perubahan yang bernuansa dalam panjang untaian yang membentuk masing -masing dari tiga lengan monomer, mereka mampu memodulasi fleksibilitas lokal dan global senjata.
Menggunakan mikroskop gaya atom berkecepatan tinggi, tim mengamati bahwa bintang DNA dengan 'lengan' yang lebih pendek dan kaku yang diorganisasikan ke dalam jaringan heksagonal yang stabil, sedangkan yang memiliki lengan yang lebih panjang dan lebih fleksibel tidak dapat membentuk jaringan besar. Simulasi mengungkapkan bahwa lengan pendek hampir empat kali lebih mungkin diatur dalam bentuk paralel yang lebih kondusif untuk menghubungkan dengan molekul lain, sementara lengan yang lebih panjang cenderung membentang terlalu jauh untuk membuat koneksi yang stabil. Para peneliti menyebut fleksibilitas antarmuka variasi ini.
“Antarmuka di mana dua molekul berkumpul harus kaku; jika seseorang fleksibel, ada kemungkinan lebih rendah molekul akan tetap terhubung. Kekuatan mengikat tidak penting – fleksibilitas antarmuka akan selalu menang. Ini bertentangan dengan apa yang dipahami hingga saat ini,” Kata Bastings.
Menariknya, para peneliti juga menunjukkan bahwa fleksibilitas antarmuka dapat disesuaikan: dalam molekul fleksibel, mereka dapat mengembalikan kekakuan lokal pada antarmuka pengikatan yang cukup untuk mendukung pertumbuhan jaringan, sambil mempertahankan ukuran molekul yang lebih besar secara keseluruhan. “Ini berarti bahwa bahkan monomer yang fleksibel secara global masih dapat tumbuh menjadi jaringan jika fleksibilitas antarmuka pada titik pengikatan dikendalikan,” Bastings merangkum.
Kemajuan dalam nanoteknologi DNA interdisipliner telah memungkinkan untuk mengeluarkan DNA dari konteks genomik dan mengubahnya menjadi pekerja keras untuk menemukan interaksi fisik global seperti fleksibilitas antarmuka.
Bastings Maartje
Membangun atau menghancurkan
Bastings mengatakan karya ini dapat mengubah cara para ilmuwan merancang protein dan molekul lain untuk perakitan sendiri, dan menciptakan peluang baru untuk nanoterapi seluler. Pendekatan yang ditargetkan dapat fokus pada kekakuan dalam desain jaringan supramolekul baru dari protein, misalnya; atau menginduksi fleksibilitas untuk gangguan strategis atau pencegahan jaringan yang tidak diinginkan, seperti plak amiloid yang terlihat dalam kaitannya dengan penyakit Alzheimer. Dia juga meramalkan aplikasi dalam Spintonics, di mana self-assembly jaringan skala nano yang terdefinisi dengan baik dapat membantu membangun elektronik generasi berikutnya.
Dia memuji pencapaian untuk inisiatif para siswa di lab dan kolaboratornya dari LBNI. Dan dia tidak lupa untuk memberikan pengakuan atas molekul DNA yang sederhana.
“Kemajuan dalam nanoteknologi DNA interdisipliner, dan dalam kontrol sifat pada tingkat atom, telah memungkinkan untuk mengeluarkan DNA dari konteks genomik dan mengubahnya menjadi pekerja keras untuk menemukan interaksi fisik global – seperti fleksibilitas antarmuka.”
Referensi
Caroprese, V., Tekin, C., Cencen, V. et al. Fleksibilitas antarmuka mengontrol nukleasi dan pertumbuhan jaringan supramolekul. Nat. Chem. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01741-y
