Tự lắp ráp (TLR) là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều thành phần thành một khối lớn thông qua các liên kết đồng và/hoặc phi đồng hóa trị [97]. TLR phân tử (MSA) là một cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các cấu trúc siêu phân tử. MSA được tạo thành bởi các liên kết phi đồng hóa trị yếu- đáng chú ý là liên kết H, liên kết ion, tương tác kỵ nước, van der Waals và liên kết H qua nước. Mặc dù khi đứng riêng, các liên kết này tương đối yếu nhưng trong tổng thể chung, chúng chi phối quá trình hình thành cấu trúc của tất cả các đại phân tử sinh học và ảnh hưởng đến tương tác của chúng với các phân tử khác. Tất cả các phân tử sinh học, bao gồm peptide và protein, tương tác và tự tổ chức thành các cấu trúc xác định, có chức năng. Bằng cách quan sát quá trình các cấu trúc siêu phân tử lắp ráp trong tự nhiên, chúng ta có thể bắt đầu khai thác sự TLR để tạo ra những vật liệu tổng hợp hoàn toàn mới. DNA, peptide và protein là các khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu. Tự nhiên luôn sử dụng chúng như các bộ khung để tạo ra rất nhiều loại vật liệu khác nhau (collagen, keratin… ) [98].
Chế tạo sợi nano
Một loại sợi nano được tạo thành từ các peptide ion hóa tự lắp ráp bổ sung [99], chúng tạo thành trong dung dịch lỏng với hai bề mặt: một ưa nước, một kỵ nước. Các
gốcβphiến kỵ nước tự bảo vệ chúng khỏi nước và TLR trong nước theo cách tương tự trong gấp nếp protein in vivo. Đặc trưng cấu trúc độc nhất vô nhị của các peptide “Lego phân tử” này là chúng tạo thành các liên kết ion bổ sung với sự lặp lại đều đặn trên bề mặt ưa nước (hình 24a). Có thể định hướng điện tích theo chiều ngược lại, để tạo ra các phân tử hoàn toàn khác. Trình tự được thiết kế tốt cho phép các peptide TLR theo trật tự, trong một quá trình giống như sự lắp ráp polymer đã được nghiên cứu kỹ [98].
Chế tạo NT
Phospholipid dễ dàng TLR trong dung dịch nước, tạo thành các cấu trúc khác nhau bao gồm micelle, túi và ống. Schnur và cộng sự đi tiên phong trong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo ra các vật liệu dùng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các khối cấu trúc đơn giản [98] (hình 24b).
Bao gói các bề mặt với độ dày nm
Zhang và cộng sự tập trung thiết kế các peptide TLR thành một lớp đơn trên các bề mặt, cho phép các phân tử dính với nhau để tương tác với tế bào và dính trên bề mặt [100]. Các peptide này có ba vùng chung dọc theo chiều dài của nó: một phối tử nhận biết và gắn tế bào đặc biệt, một thể liên kết để phân tách vật lý với bề mặt và neo để gắn cộng hóa trị với bề mặt [98].
Gần đây, Zang và đồng sự đã tiến một bước xa hơn: sử dụng các peptide và protein như một loại mực, họ in trực tiếp các ký hiệu đặc biệt trên bề mặt polyethylene glycol không bám dính để nhanh chóng lắp ráp các mô hình tùy thích mà không cần mặt nạ hay con dấu (hình 24c).
Bộ khung sợi nano peptide và protein
Có thể lắp ráp các bộ khung peptide ba chiều bằng cách nhúng peptide TLR vào dung dịch muối hoặc môi trường sinh lý để tạo ra các cấu trúc đại phân tử [101]. Nếu thay alanine bằng các gốc kỵ nước hơn như valine, leucine, isoleucine, phenylalanine hay tyrosine, các phân tử có khuynh hướng TLR lớn hơn và tạo thành các chất nền peptide [102].
Chế tạo các dây nano sử dụng bộ khung sinh học
Có thể dùng NT peptide TLR làm khuôn cho quá trình kim loại hóa. Khi bộ khung hữu cơ bị loại bỏ, lưu lại dây dẫn điện tinh sạch trên bề mặt. Có rất nhiều phương pháp gắn tinh thể nano kim loại dẫn điện vào peptide [98]. Matsui và cộng sự đã chế tạo thành công NT peptide thành dây nano. Họ không chỉ bao gói NT peptide với đồng và niken mà còn bọc NT của họ trong avidin, làm chúng có thể gắn đặc hiệu với các bề mặt vàng [103].
Hình 25. Khám phá và chọn các vật liệu điện sử dụng hệ thống trình diện
bacteriophage. Một thư viện phage tái tổ hợp được sử dụng để gắn chọn lọc với vật GaAs. Đường đỏ (đường kính 1 µm) tương ứng với GaAs và vùng đen (đường kính 4 µm) là SiO2. Sự gắn đặc hiệu peptide này cũng có thể được sử dụng để phân phối các tinh thể nano tới các vị trí đặc biệt [Theo 104].
Belcher và cộng sự tiến hành một cách tiếp cận rất khác để không chỉ khám phá mà còn chế tạo các vật liệu điện và từ rất khác so với các vật liệu truyền thống. Họ tạo ra bacteriophage TLR đã biến đổi di truyền sao cho có thể dùng chúng để chọn các vật liệu từ, bán dẫn hoặc dẫn điện (hình 25) [104].
Hình 24. Lắp ráp các vật liệu peptide. (a) Peptide tự bổ sung ion hóa có 16 axit amin, kích thước ~5 nm. Chúng TLR tạo thành sợi nano với các gốc không phân cực nằm trong (xanh lá cây), và các gốc tích điện – (đỏ) và + (xanh da trời) tạo thành các tương tác ion bổ sung giống như bàn cờ vua. Các sợi nano này tạo thành các chất nền đan xen sau đó tạo thành scaffold hydrogel với trên 99.5% là nước. (b) Một loại peptide giống chất hoạt động bề mặt, kích thước ~2nm, TLR thành NT hoặc túi nano
(nanovesicle) với đường kính 30–50 nm. (c) Peptide bao gói nano bề mặt với ba phân đoạn riêng biệt, có thể sử dụng như mực để in trực tiếp trên bề mặt. (d) Peptide công tắc phân tử, với tính lưỡng cực mạnh, biến đổi hình dạng mạnh giữa α-helix và β- strand hoặc β-sheet dưới kích thích ngoại lai. Các tinh thể nano có thể được gắn với các peptide lưỡng cực này để chế tạo chúng thành các công tắc nhỏ [Theo 98].
Các hạt keo vàng có thể TLR thành một cấu trúc tập trung bằng cách gắn với các hạt 13nm không bổ sung với các oligonucleotide DNA có hai đầu gắn với nhóm thiol và sau đó kết tụ với một phức hệ oligonucleotide với các đầu dính và bổ sung với hai trình tự ghép [105]. Quá trình lắp ráp hoàn toàn thuận nghịch thông qua các chu kỳ lai và biến tính bởi nhiệt thông thường.