Artikkel

Natur-inspirerte materialer er så smarte at de bygger seg selv

Reidar Lund er forsker ved Kjemisk institutt
Reidar Lund beundrer en modell av buckminsterfulleren, et hult og fotball-formet molekyl bestående av 60 karbon-atomer. Nå er kjemikerne blitt i stand til å lage nanorør av mye mer avanserte materialer, og nesten uten å tilføre energi. Foto: Bjarne Røsjø.

Natur-inspirerte materialer er så smarte at de bygger seg selv

– Om tjue år tror jeg de kommer til å riste på hodet av hvordan vi bruker cellegift og andre medisiner i dag, sier kjemiforsker Reidar Lund.

Målsøkende medisiner er en gammel drøm som går ut på å behandle bare den delen av kroppen som er syk, men drømmen er ennå ikke blitt til full virkelighet.

Isteden behandler vi ofte hele kroppen med for eksempel cellegift mot avgrensede kreftsvulster, eller med antibiotika mot avgrensede infeksjoner.

Illustrasjonen viser et smart peptoid-molekyl som kan bygge seg selv
Forskere ved UiO og Berkeley har oppdaget et peptoid som består av to ulike byggesteiner (gult og blått), og som bygger seg selv sammen til nanorør med kontrollerte diametre. lllustrasjon: Ron Zuckermann, LBNL/UC-Berkeley, USA.

Resultatet er blant annet alvorlige bivirkninger, og at det brukes mye mer medisin enn det som egentlig er nødvendig.

Forskeren Reidar Lund har gått til naturen for å finne inspirasjon til andre måter å gjøre dette på. Nå har han vært med på å utvikle en ny type nanostrukturer som tidligere ble ansett for å være umulige.

Han har blant annet utviklet nanotuber som er så smarte at de bygger seg selv, hvis ingrediensene blandes på den rette måten.

I tillegg har han vært med på å utvikle nanokapsler som kan åpne seg og slipper ut medisin når de utsettes for lys med en spesiell bølgelengde, og som dermed kan fungere som bittesmå og smarte medisinkapsler. En ny artikkel om de smarte materialene ble nettopp publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Fremtidens cellegiftbehandling

Visjonen er at vi kan bruke disse nanorørene og -kapslene i blant annet fremtidens cellegiftbehandling.

De unge blodårene i kreftsvulster har større porer i åreveggen enn normale blodårer, og det betyr at vi kan lage nanostrukturer som er akkurat så store – mellom 20 og 100 nanometer i diameter – at de trenger inn i kreftcellene men ikke i friske celler.

– Dermed kan vi gi disse nye «medisinkapslene» for eksempel intravenøst, av materialer som er stabile nok til å overleve en viss tid i kroppen. Da vil de helt av seg selv akkumuleres i svulstene, og der kan vi belyse dem slik at cellegiften slippes ut og angriper kreftcellene, forteller Lund.

Resultatet blir en cellegiftbehandling som bare angriper kreftceller, ikke resten av kroppen.

Dagens cellegiftbehandling er til sammenlikning basert på at friske celler tåler cellegiftbehandling bedre enn kreftcellene, men også de friske cellene kan bli skadet.

Taj Mahal
Tenk om det gikk an å hive mursteiner i en haug, og så bygde de Taj Mahal helt av seg selv. Proteinsyntesen i kroppen er omtrent så fantastisk, og nå kommer kjemikerne etter. Foto: Colourbox, saiko3p.

Tenk om Taj Mahal bygde seg selv

Reidar Lund og samarbeidspartnere ved Kjemisk institutt og University of California-Berkeley i USA har kommet langt i arbeidet med å realisere denne visjonen.

– Vi har blant annet latt oss inspirere av all den «magien» naturen kan få til ved å sette sammen bare 20 aminosyrer på ulike måter, sier Lund.

Han tar opp to bilder på pc-skjermen – ett av en mursteinshaug og et annet av det praktfulle Taj Mahal-mausoleet i India – for å illustrere hva han mener.

– Du vet sikkert at proteiner er komplekse strukturer som består av de 20 naturlige aminosyrene, og at rekkefølgen av aminosyrer bestemmer proteinets form og egenskaper. Det fantastiske er at aminosyrene setter seg selv sammen i riktig rekkefølge, ved hjelp av en DNA-basert arbeidstegning og et knippe kjemiske lover, og så folder den lange kjeden seg til akkurat den riktige strukturen som gjør at proteinet fungerer som det skal. Det blir som om vi skulle hive en drøss med mursteiner og byggematerialer i luften, og så detter de ned og bygger Taj Mahal helt av seg selv, mener Lund.

Reidar Lund og kollegene har nå utviklet nettopp en slik type nanostrukturer som langt på vei bygger seg selv, etter inspirasjon fra proteinenes verden og Taj Mahal.

Ny biomedisinsk nanoteknologi

Hule nanostrukturer – nanorør – har hittil ikke blitt lagd av polymerer. De har isteden blitt dannet for eksempel av karbon, gjennom prosesser som krever mye energitilførsel. Forskningen på nanoteknologi har også hittil dreid seg mest om «harde» materialer og uorganiske anvendelser i for eksempel halvledere eller solceller, men nå kommer snart den biomedisinske nanoteknologien for fullt.

– Vi har blant annet blitt i stand til å kontrollere og lage selvbyggende nanostrukturer med høy presisjon, som består av syntetiske polymerer. Det spennende er at molekylene setter seg sammen selv spontant og danner veldefinerte nanostrukturer uten at man trenger å tilsette energi.

Polymerer og aminosyrer

* En polymer er et stoff som består av molekyler koblet sammen i lange kjeder. De fleste plaststoffer som brukes i dag er polymerer, men også proteiner og for eksempel cellulose hører til denne kategorien


* De enkelte byggesteinene i polymerer kalles monomerer. De nye syntetiske polymerene er utviklet ved å la nøye utvalgte monomerer reagere med hverandre under nøye kontrollerte betingelser.

 

* En aminosyre er en organisk syre med kjemisk formel NH2-CHR-COOH, der sidegruppen R varierer. Aminosyrer er byggesteiner i proteiner, ved at de hektes sammen i lange kjeder som kalles peptider. Proteinene kan derfor betraktes som polymerer bestående av 20 ulike monomerer, altså aminosyrene

 

– Dette er en prosess som kalles ”selv-assosiering”– self-assembly på engelsk. Dette er et viktig byggeprinsipp i naturen og kan blant finnes i membranen til levende celler, forteller Lund.

Lund kan for eksempel enkelt lage nanokuler av polymerer med både vannløselige og -uløselige grupper. Hvis en slik polymer plasseres i vann, vil de vann-uløselige bitene prøve å redusere sin egen kontakt med vannet. Da oppstår det lett små nanokuler med vannløselige biter som stikker ut i vannet – mens de uløselige bitene kollapser i "klumper".

– Det nye vi har funnet her, er at med å bruke presisjonspolymerer med eksakt sekvens og lengde, kan man "programmere" polymerer til å oppføre seg som ”mursteinsbrikker" som setter seg sammen til hule nanorør med vegger som bare er et par molekyl brede. Der inne kan man frakte medisiner, tenker Lund.

Polymerene bygger seg selv

Reidar Lund samarbeider med blant annet professor Ronald Zuckermann, som leder en forskergruppe ved Berkeley-universitetet i USA. Han har utviklet en metode som gjør det mulig å lage selvbyggende og sekvensdefinerte polymerer, det vil si polymerer hvor det er en bestemt rekkefølge mellom de enkelte byggesteinene (monomerene).

Disse syntetiske polymerene kalles peptoider og er strukturelt like proteiner. Man kan dermed hente inspirasjon fra naturen til å lage mye mer intrikate funksjonelle materialer.

I skrivende stund rår Zuckermann over et bibliotek med ca. 300 monomerer, som kan settes sammen i ulike rekkefølger. Reidar Lund sammen med kollegaene i Berkeley har nylig utarbeidet en type peptoid-polymer og utført målinger med elektronmikroskopi og synkrotronstråling, som viste at de danner ”perfekte” nanorør bare de blir blandet på riktig måte med vann.

ReidarLund (bak) under arbeidet ved ESRF i Grenoble.
Reidar Lund (bak) med Christope Tribet fra École Normale Supérieure (ENS) i Paris og andre franske kolleger under eksperimentene ved ESRF-laboratoriet i Grenoble. Foto: Theyencheri Narayanan, ESRF

– Siden rørene som dannes er svært små, var det nødvendig å bruke et svært høy-oppløselig elektronmikroskop som var tilgjengelig ved National Center for Electron Microscopy i Berkeley. Men selv ikke dette var nok til å gi 100 prosent sikkert bevis, og vi gjorde derfor analyser med avanserte lav-vinkel røntgenspredningsteknikker ved den europeiske synkrotronen ESRF i Grenoble, Frankrike. Dette viste at nanorørene var satt sammen av sterke fysikalske bindinger med vegger på bare noen få atomlag, forteller Lund.

Åpnes og lukkes med lys

– Vi samarbeider også med en forskergruppe i Paris, og sammen har vi nå skrevet en vitenskapelig artikkel som beskriver hvordan vi kan åpne og lukke slike nanostrukturer ved å skinne lys på dem med ulike bølgelengder.

– Ultrafiolett lys fører til at nanostrukturene åpner seg, for eksempel for å slippe ut medisin. Blått lys fører til at de lukker seg igjen, forteller Lund.

Også denne gangen brukte forskerne synkrotronen i Grenoble, der de kunne følge prosessen direkte på nanonivå over intervaller på bare noen milisekunder mens de kartla og bestemte mekanismen for åpning og lukking.

Inngangsporten til Berkeley-universitetet, Sather gate, er oppkalt etter norskamerikaneren Peder Sather
Hovedporten til Berkeley-universitetet, Sather Gate, er oppkalt etter norskamerikaneren Peder Sæther. Foto: Wikimedia Commons

Mange mulige anvendelser

Reidar Lund ser for seg en rekke anvendelser, i tillegg til distribusjon av cellegift og antibiotika. Nanorørene kan for eksempel inneholde insulin, som frigjøres på en kontrollert måte for å regulere blodsukkernivået hos diabetikere.

– Eller: Vi kan fylle nanorørene med fargestoff eller andre materialer som brukes i nanolitografi, og så kan vi bygge opp strukturer ved å «skrive» med en lysstråle. Jeg tror i det hele tatt at det er kort vei fra grunnforskningen til anvendelsene på dette området. Hvis vi for eksempel oppnår et lite gjennombrudd i hvordan vi kan kontrollere stabiliteten til disse nye forbindelsene, kan det fort få store konsekvenser, sier Lund.

Samarbeidet med forskerkollegene i USA har gått gjennom Peder Sather Center for Advanced Study ved Universitetet i Berkeley. Dette senteret ble etablert i 2012 for å styrke forskningssamarbeidet mellom norske universiteter og Berkeley-universitetet, og er oppkalt etter norskamerikaneren Peder Sæther (1810-1996).

Peder Sæther var opprinnelig fra Odalen og utvandret til USA i 1832. Der ble han etter hvert en velstående mann, som brukte deler av formuen til å være med på grunnleggingen av College of California, forløperen for University of California, Berkeley.

Les også på Titan.uio.no:

Kjemien som kan gi deg bedre helse

Vi er inne i en kjemisk revolusjon

Naturgass til himmels

Kontakt:

Forsker Reidar Lund, Kjemisk institutt

Les mer:

Sun, J., Jiang, X., Lund, R., Downing, K.H., Balsara, N.P. and Zuckermann, R.N.: Self-assembly of crystalline nanotubes from monodisperse amphiphilic diblock copolypeptoid tiles. 10.1073/pnas.1517169113, PNAS March 28, 2016.

Reidar Lund et al.: Kinetics of Photocontrollable Micelles: Light-induced Self-Assembly and Disassembly of Azobenzene-Based Surfactants Revealed by TR-SAXS. Langmuir. 2016 Mar 9.

New Scientist, mars 2016: Plastic fantastic: The quest to create the smartest material

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Henrik Svensen

Steinbra formidler

Henrik Svensen ble tidlig bergtatt av steiner og Jordens eldgamle mysterier. Nå er han hedret for sitt arbeid med å bringe denne kunnskapen ut til folk.