Slaganjem molekula dipeptida do (super)razgradivog vlakna

Kada sam ovlaš pročitao vijest da su znanstvenici iz Sjedinjenih Država i Ujedinjenog Kraljevstva napravili vlakno od peptida u prvi čas sam se snebio: pa to je tehnologija kamenog doba! To govorim zato što su proteini u kemijskom smislu peptidi, a proteinskih vlakana u prirodi ima koliko ti srce želi, ili – preciznije i jasnije – upravo su od proteina izgrađena vlakna vune i svile. U kemijskom smislu i vuna (svake vrste) i svila su polimeri aminokiselina. Takav je polimer i keratin od kojeg su izgrađene dlake i nokti, a protein, u ovom slučaju kolagen, gradi niti koje daju čvrstoću koži. Sve su to, kao što sam već rekao, polimeri aminokiselina ili, kraće rečeno, polipeptidi.

No čim sam se malo pribrao, shvatio sam da me asocijacija peptida s bjelančevinama načas zavela. Bjelančevine su, istina, peptidi, ali peptida ima mnogo vrsta. Bjelančevine nisu naime samo peptidi nego i polipeptidi, dakle molekule nastale povezivanjem mnogo (poli) molekula aminokiselina. Aminokiseline se međutim mogu povezivati i u manje molekule, graditi kraće peptidne lance. Najkraći lanac grade dakako samo dvije aminokiseline. U tom slučaju nastaje dipeptid.

Dipeptid, tripeptid, tetrapeptid, pentapeptid, heksapeptid, oligopeptid i polipeptid samo su imena za molekule iste kemijske građe ali različite veličine. A upravo se o veličini ovdje radi. Jer dok su polipeptidi (poput keratina i kolagena) polimeri, točnije kopolimeri, za dipeptide se to ne bi moglo reći. I kad onda čovjek pročita da se od dipeptida može napraviti vlakno ništa mu više nije jasno. Niti vune i svile tvore sâme njihove molekule, jer su one najtanja vlakna u niti. Molekule dipeptida su međutim male molekule – što ih onda drži tako čvrsto da se mogu udružiti u vlakno?

Odgovor na to pitanje nalazimo u već spomenutom radu američkih i britanskih znanstvenika. Rad nosi naslov „Modular salt-induced nanostructures formed by a functionalized dipeptide system“, a objavljen je u časopisu Matter.

Predmet njihova istraživanja bio je dipeptid nastao povezivanjem aminokiselina izoleucina (I) i fenilalanina (F) s jednim dodatkom. Na amino skupinu izoleucina vezana je naftalenska skupina, pa je tako dobiveni modificirani dipeptid dobio oznaku 2NapIF. Taj spoj, 2NapIF, ne bi bio ništa posebno da dodatkom soli ne dolazi do udruživanja njegovih molekula u modularne nanostrukture, „modular salt-induced nanostructures“, kako piše u naslovu.

Da se nešto u otopini dešavavidjelo se već po promjeni viskoznosti. Dodatkom halogenida alkalijskih metala (NaCl, NaBr, KCl, KBr, LiCl i LiBr) u lužnatu otopinu 2NapIF (pH = 10,5) viskoznost se povećala više od tisuću puta! Naknadno je istraživanje pokazalo da se molekule 2NapIF povezuju tako da grade cjevčice i vlakna nanometarskih dimenzija, ovisno o vrsti i koncentraciji soli. Tako u natrijevom bromidu koncentracije 4 mol/L nastaju 4,5 nm debela vlakna i 11 nm debele cjevčice, no pri većoj koncentraciji NaBr (10 mol/L) nastaju cjevčice promjera 7 nm i to drugačije strukture od strukture cjevčica koje nastaju pri nižoj koncentraciji. U kalijevom kloridu koncentracije 5 mol/L nastaju pak nanocjevčice promjera 16,5 nm.

Sve se te strukture mogu objasniti suptilnom igrom intramolekulskih i intermolekulskih interakcija. Molekule 2NapIF međusobno se drže vodikovim vezama. Unatoč tome, spajanju vodikovim vezana, nanometarske cjevčice i vlakna ne bi bile moguća da molekule nisu fleksibilne, da se oblikom (konformacijom) ne prilagođavaju jedna drugoj. Pokazalo se da molekula 2NapIF može poprimiti 18 definiranih oblika, konformacija – sasvim dovoljno da se prilagodi svome mjestu u molekulskoj suprastrukturi.

Vlakna se pak mogu ujedniti u niti. To se događa kada se uz osnovnu sol u otopinu doda kalcijev klorid, CaCl₂ (koncentracije 0,5 mol/L). Najbolja nit, ona dobivena iz kalijeva klorida kao osnovne soli, imala je Youngov modul 14,0 ±6,4 kPa, što znači da je na gornjoj granici (20,4 kPa) bila stotinu slabija od prirodne gume (1,9 MPa).

Tako mala čvrstoća vlakna ne budi optimizam, no već široke granice čvrstoće (7,6 – 20,4 kPa) pokazuju da je postupak njihove proizvodnje nesavršen, bolje rečeno još nije ni počeo. No kakav god konačni rezultat bio, pred nama je posve nova vrsta razgradivih vlakana. To kažem zato jer za njihovu razgradnju nije potrebna nikakva ni kemijska ni biokemijska reakcija budući da njihove građevne jedinice, molekule 2NapIF, nisu vezane jakim, kovalentnim nego slabim, vodikovim vezama. To znači da se takve strukture raspadaju same od sebe čim se ukloni sol.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.