ข้อมูลเชิงลึกจากปฏิกิริยาพื้นผิว

Anonim

สิ่งที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวมักจะได้รับ shrift สั้น ๆ เมื่อเทียบกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายใน แต่เมื่อพูดถึงปฏิกิริยาทางเคมีสิ่งที่เกิดขึ้นบนผิวหน้าอาจหมายถึงความแตกต่างระหว่างวัสดุที่ใช้งานกับวัสดุที่ไม่สามารถปฏิบัติหน้าที่ได้

Tao Wei ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีที่ Lamar University ได้ทำการศึกษาพื้นผิวที่เรียกว่า "interfacial" - phenomena เพื่อพัฒนาและปรับปรุงวัสดุที่ใช้งานได้และเทคโนโลยีชีวภาพนาโน

ด้วยการทำความเข้าใจกลไกอะตอมและควอนตัมของฟิสิกส์และเคมีฟิสิกส์เขาจึงมีส่วนช่วยในการพัฒนาไบโอเซนเซอร์ที่สามารถเร่งพัฒนายาเสพติดออกแบบวัสดุที่ดีกว่าสำหรับการแยกเกลือแร่และสร้างวิธีใหม่ในการผลิตพลังงานจากแบคทีเรีย

การวิจัยที่มีประสิทธิภาพสูง

เพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุนาโนและวัสดุชีวภาพ Wei ใช้แบบจำลองที่อาศัยกลุ่มคอมพิวเตอร์แบบขนานเช่นซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ของ Stampede ที่ Texas Advanced Computing Center (TACC) ซึ่งเป็นหนึ่งในระบบการศึกษาที่เร็วที่สุดในโลก

"การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการเสริมสร้างการวิจัยเชิงทดลองในการพัฒนาวัสดุนาโนและเทคโนโลยีชีวภาพ" นายเว่ยกล่าว "การจำลองให้รายละเอียดของ atomistic และแสดงกระบวนการควอนตัมซึ่งยากที่จะตรวจจับได้ในการทดลอง"

รางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี พ.ศ. 2556 ได้เดินทางไป Arieh Warshel Michael Levitt และ Martin Karplus เพื่อพัฒนาระบบทางเคมีที่ซับซ้อนหลายรูปแบบโดยเน้นความสำคัญของการจำลองทางคณิตศาสตร์ในด้านเคมี

ในด้านต่างๆตั้งแต่การพัฒนายาเสพติดจนถึงการผลิตพลังงานวิธีการเหล่านี้ก็กลายเป็นสิ่งล้ำค่า

นับตั้งแต่ Wei เริ่มต้นกลุ่มงานวิจัยของเขาที่มหาวิทยาลัยลามาร์เมื่อสามปีที่แล้วเขาได้ใช้การจำลองการคำนวณที่ TACC เพื่อเผยแพร่เอกสาร 7 ฉบับและจัดทำการนำเสนอผลงาน 18 เรื่อง

"TACC ให้ความช่วยเหลือพิเศษของกลุ่มวิจัยของฉัน" Wei กล่าว

ในช่วงปี 2014-2016 มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติได้รับทุนสนับสนุนด้านวิทยาศาสตร์และการค้นคว้าทางด้านวิศวกรรม (XSEDE) ได้รับรางวัลกลุ่ม Wei หลายล้านชั่วโมงในการแตกตื่น นอกจากนี้เขายังใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์หลายตัวรวมทั้งระบบกอร์ดอนและ SuperMIC ที่ได้รับการสนับสนุนจาก NSF และกระทรวงพลังงานของไททันและกระทรวงพลังงานของกระทรวงพลังงานเพื่อให้ความคืบหน้าเกี่ยวกับปัญหาที่สำคัญหลายอย่าง

"การใช้การคำนวณแบบขนานขนาดใหญ่บนกลุ่มคอมพิวเตอร์แบบคู่ขนานเช่น Stampede เราสามารถศึกษาระบบทางชีววิทยาเช่นการดูดซับโปรตีนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและการบรรจุไขมันและการออกแบบวัสดุที่ใช้ในการทำงานและเทคโนโลยีชีวภาพได้" นาย Wei กล่าว

TIMES พวกเขาเป็น A-Changin '…

แกนด์คือโมเลกุลเล็ก ๆ ที่ยึดติดกับโมเลกุลชีวภาพรวมทั้งโปรตีน พวกเขามักจะใช้ในชีวเคมีและเภสัชวิทยาเพื่อจัดการกับโครงสร้างของโปรตีนหรือเพื่อแจ้งการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของโปรตีน

นักวิจัยมักใช้วิธีการต่างๆเช่นการติดฉลากเรืองแสงและการตกผลึกเพื่อศึกษาว่าโปรตีนและลิแกนด์สัมพันธ์กันอย่างไร อย่างไรก็ตามวิธีการเหล่านี้สามารถเปลี่ยนเงื่อนไขของปฏิกิริยาหรือ จำกัด สิ่งที่สามารถศึกษาได้

การทำงานร่วมกับ Lamar University และ University of California San Diego, Wei และทีมของเขาได้ช่วยพัฒนาวิธีการใหม่ในการศึกษาอันตรกิริยาของแกนด์โปรตีนซึ่งเรียกว่า Transient Induced Molecular Electronic Spectroscopy (TIMES)

ข้อได้เปรียบของวิธีนี้คือสามารถอธิบายลักษณะการปฏิสัมพันธ์ของโปรตีน - ลิแกนด์ได้โดยไม่ต้องมีการรบกวนกับความผูกพันของพวกเขา

ด้วย TIMES โปรตีนแกนด์และคอมโพสิตแกนด์โปรตีนและแกนด์เคลื่อนที่ผ่านสื่อที่เป็นของเหลวและมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวของอิเล็กโทรด เครื่องตรวจจับที่เชื่อมต่อกับเครื่องขยายเสียงไฟฟ้าที่มีเสียงรบกวนต่ำจะผลิตสัญญาณที่แสดงการตอบสนองทางไฟฟ้าแบบโพลาไรซ์ของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาขณะที่พวกเขาเข้ามาใกล้พื้นผิวของอิเล็กโทรด เหล่านี้สามารถวิเคราะห์เพื่อตรวจสอบว่าโปรตีนและลิแกนด์ผูกพันกับสิ่งที่องศามากกว่าช่วงเวลาใดและในสิ่งที่ปฐมนิเทศ

ในเดือนตุลาคมทีมได้แสดงให้เห็นถึงความถูกต้องของเทคนิค TIMES โดยการวัดแกนด์และปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนระหว่างเอนไซม์ไลโซอิมเอนไซม์ที่ทำลายผนังเซลล์แบคทีเรียและแกนด์ N-acetyl-D-glucosamine (NAG) และตัวจับเวลา NAG3 ผลงานตีพิมพ์ในวารสาร ACS Central Science

Yu-Hwa Lo ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียแห่งซานดิเอโกและผู้เขียนนำเสนอกล่าวว่า "วิธีการคำนวณทางฟิสิกส์ได้ให้ข้อมูลและความเข้าใจที่มีประโยชน์อย่างมาก

ฟิสิกส์คำนวณมีบทบาทมากกว่าการจำลองกระบวนการของกล้องจุลทรรศน์ซึ่งเป็นวิธีที่มีค่าที่จะช่วยให้เราตั้งสมมติฐานที่สามารถทดสอบได้ทำให้กระบวนการค้นพบมีประสิทธิผลและมีเหตุผลมากขึ้น

ปฏิสัมพันธ์ของโปรตีน - ลิแกนด์เป็นเรื่องที่น่าสนใจอย่างยิ่งในด้านชีวเคมีเนื่องจากมีการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติในการค้นคว้ายา

งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากทุนหลายแห่งจาก National Science Foundation (Grant ECCS-1610516) และ Vertex Pharmaceuticals, Inc.

มองเข้าไปในรูขุมขนนาโน

Polyamides เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการกรองและบำบัดน้ำทะเลน้ำเสียและน้ำผิวดินโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่า reverse-osmosis แบบเมมเบรน

"มันเป็นวัสดุผู้ใหญ่" Wei กล่าว "แต่เราจำเป็นต้องเพิ่มการซึมผ่านของน้ำโดยไม่สูญเสียการกรองน้ำเพื่อลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน"

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคของเมมเบรนใยสังเคราะห์และกระบวนการถ่ายโอนโมเลกุลที่ระดับอะตอมเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มความสามารถในการแยกสารซึ่งอาจนำไปสู่ประโยชน์ทางสังคมและเชิงพาณิชย์อย่างมีนัยสำคัญ

เยื่อโพลีเอไมด์มีความบางเพียง 100 nanometers และขนาดของรูพรุนที่ผ่านไอออนเพียง 0.3 นาโนเมตรทำให้ยากต่อการตรวจสอบว่าปัจจัยใดสามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อปรับปรุงสมรรถนะของวัสดุ

"สิ่งสำคัญมากคือเรามีเครื่องมือในการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคและการถ่ายเทโมเลกุลผ่านเยื่อแผ่นนาโนครักเพื่อดูว่ามีอะไรเกิดขึ้นภายใน" เขากล่าว

ในบทความในวารสาร Physical Chemistry B ในเดือนกันยายนปี 2016 Wei และทีมงานของเขาทำงานร่วมกับ Shroll Murad หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีววิทยาของสถาบันเทคโนโลยีแห่งอิลลินอยส์ได้อธิบายถึงความพยายามที่จะใช้การจำลองเพื่ออธิบายโครงสร้างภายในของวัสดุ ที่เชื่อกันว่าเป็นผู้รับผิดชอบต่อพฤติกรรมในระดับมหภาค

พวกเขาพบว่าการศึกษาระดับปริญญาของวงแหวนเบนซินในวัสดุถูกเชื่อมโยงกันซึ่งกันและกันไม่เพียง แต่ที่ปลายทั้งสอง แต่ยังอยู่ตรงกลางมีบทบาทสำคัญในการขนส่งน้ำ

"น้ำสามารถซึมผ่านวงแหวนได้เร็วขึ้นตามเส้นทางบางและโมโนเมอร์เหล่านี้ไม่ได้เชื่อมโยงกันเป็นอย่างดี" Wei กล่าว

การวิจัยใช้วิธีการจากล่างขึ้นที่พวกเขาได้รับพารามิเตอร์ของวัสดุจากฟิสิกส์ของวัสดุและพันธะโมเลกุลของพวกเขาเท่านั้น ทีมงานพบว่าลักษณะของวัสดุ ได้แก่ ความหนาแน่นการกระจายตัวของขนาดรูพรุนการแพร่กระจายของน้ำและการยกเว้นเกลือพบด้วยผลจากการสังเคราะห์เยื่อทดลองและการศึกษาการจำลองแบบก่อนหน้านี้

ในการศึกษาต่อไป Wei กำลังสำรวจการรวมตัวของวัสดุนาโนเช่นท่อนาโนคาร์บอนและกราฟีนเข้าไปในเยื่อแผ่นโพลีเมอร์บริสุทธิ์เพื่อดูว่าสามารถปรับปรุงการซึมผ่านของน้ำได้หรือไม่

"การทำความเข้าใจโครงสร้างของเยื่อโพลีเอไมด์จะช่วยในการออกแบบวิธีการกรองและการกรองในอนาคตซึ่งจะช่วยลดต้นทุนด้านพลังงานและให้ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจได้มาก" เขากล่าว

การวิจัยได้รับการสนับสนุนจากทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติโครงการวิจัยพื้นฐานแห่งชาติของประเทศจีนมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีนและศูนย์คุณภาพอากาศและน้ำที่มหาวิทยาลัยลามาร์

ค้นพบแบคทีเรียที่ผลิตไฟฟ้า

โครงการการคำนวณที่สามของ Stampede ซึ่งนำโดย Wei ศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของแบคทีเรียชนิดพิเศษที่สามารถควบคุมพลังงานจากสิ่งแวดล้อมได้โดยการหมุนเวียนไนโตรเจนกำมะถันและเหล็ก

การทำความเข้าใจพฤติกรรมของโปรตีนแบคทีเรียที่ช่วยให้กระบวนการนี้รู้จักกันในชื่อ multiheme cytochromes สามารถช่วยในการประยุกต์ใช้งานต่างๆรวมทั้งการผลิตพลังงานชีวภาพตัวเร่งปฏิกิริยาแปลงพลังงานแสงอาทิตย์และการกำจัดสารพิษเฮกซะวาเลนท์โครเมียมออกจากน้ำ

อย่างไรก็ตามไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตีนแบคทีเรีย

"เรารู้แล้วว่าแบคทีเรียชนิดนี้สามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากภายในสู่ภายนอกผ่านทางสายนาโนที่มีโปรตีนบางตัว" นายเว่ยกล่าว "แต่เราไม่รู้โครงสร้างโปรตีนที่สมบูรณ์ของพวกเขาและเราไม่ทราบว่าโปรตีนเหล่านี้จะแพ็คเพื่อสร้างสายนาโนอย่างไร"

เพื่อรวบรวมรายละเอียดเหล่านี้และเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนของโปรตีน Wei จะใช้การจำลองพลวัตโมเลกุลซึ่งอะตอมและโมเลกุลจะได้รับอนุญาตให้มีปฏิสัมพันธ์กันเป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้มุมมองของวิวัฒนาการแบบไดนามิกของระบบ

"เพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางไฟฟ้าชีวโมเลกุลที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วสำหรับการใช้งานที่มีแนวโน้มในด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมสิ่งสำคัญคือต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับพฤติกรรมการเชื่อมต่อระหว่างโปรตีนที่ทำหน้าที่เหล่านั้น" เขากล่าว

Wei และทีมของเขาได้ทำการจำลองการแตกตื่นกันหลายครั้งเพื่อศึกษาระดับความเป็นพิษของ decaheme cytochrome ที่ยึดกับพื้นผิวทองในน้ำและประสิทธิภาพการถ่ายโอนอิเล็กตรอนของกระบวนการ

ผลการศึกษาของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ใน วารสาร Physical Chemistry Letters ฉบับ เดือนกุมภาพันธ์ปีพ. ศ. 2562 พบว่าการคายน้ำซึ่งเกี่ยวข้องกับการสูญเสียโมเลกุลของน้ำจากโมเลกุลที่ทำปฏิกริยาบนพื้นผิวทองคำทำหน้าที่เป็นแรงผลักดันสำคัญในการดูดซับโปรตีน

"ถ้าเราใส่โปรตีนเหล่านั้นบนผิวอิเล็กตรอนแล้วเราจะถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างสภาพแวดล้อมภายนอกและด้านในของพื้นผิวของอิเลคโทรดเราสามารถแปลงพลังงานหรือลดโลหะหนักที่เป็นพิษผ่านวิธีการทำสาร redox" นายเว่ยกล่าว "นี่เป็นการตัดขอบอย่างมาก แต่เราเห็นตัวอย่างที่น่าสนใจอยู่แล้ว"

ไม่ว่าจะเป็นการศึกษาเกี่ยวกับโพลิเมอร์ desalinizing, สายนาโนหรือแบคทีเรีย - แกนด์, การตรวจสอบพฤติกรรมของอะตอมและควอนตัมของโมเลกุลมีศักยภาพที่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจวัสดุชีวภาพใหม่ ๆ และปรับปรุงใหม่ได้ Wei ยังได้ขยายงานวิจัยของเขาไปสู่การออกแบบวัสดุป้องกันการเกิด biophouling และ anti-biocorrosion

"เครื่องมือจุลทรรศน์เหล่านี้สามารถให้ข้อมูลมากมาย" Wei กล่าว "แต่ละประเภทของการจำลองมีข้อ จำกัด แต่เมื่อเรามีพื้นฐานทางทฤษฎีที่แข็งแกร่งและสามารถเชื่อมต่อกับเครื่องชั่งต่างๆได้เราสามารถหาเหตุผลในการออกแบบโครงสร้างโครงสร้างการทดลองและแก้ปัญหาทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่สำคัญได้"

menu
menu