Syntesen och självorganiseringen av biologiska makromolekyler är avgörande för livet på jorden. Ludwig Maximilian-universitetet i München kemister rapporterar nu om spontana uppkomsten av komplexa ringformade makromolekyler med låga symmetrigrader i laboratoriet.

Monomerer, molekyler som är uppbyggda av flera repeterande subenheter som kan variera eller inte i sin kemiska struktur, klassificeras som makromolekyler eller polymerer. Det finns exempel i naturen, inklusive proteiner och nukleinsyror, som är kärnan i alla biologiska system. Proteiner utgör inte bara basen för strukturella element i celler, de fungerar också som enzymer - som katalyserar i princip alla de myriad av kemiska omvandlingar som äger rum i levande system.

I kontrast, nukleinsyror såsom DNA och RNA fungerar som informationsmakromolekyler. DNA lagrar cellens genetiska information, som selektivt kopieras till RNA-molekyler som tillhandahåller ritningarna för syntesen av proteiner. Dessutom, långa kedjor bestående av sockerenheter ger energireserver i form av glykogen, som lagras i levern och musklerna. Dessa olika klasser av polymera molekyler har alla en gemensam egenskap:De fälls spontant in i karakteristiska rumsliga konformationer, till exempel den berömda DNA-dubbelhelixen, som i de flesta fall är väsentliga för deras biokemiska funktioner.

Professor Ivan Huc (Institutionen för farmaci, LMU) studerar aspekter av de självorganiseringsprocesser som gör det möjligt för makromolekyler att anta definierade vikta former. De molekylära strukturerna som finns i naturen ger honom modeller, vars egenskaper han försöker reproducera i laboratoriet med icke-naturliga molekyler som varken är proteiner, nukleinsyror eller sockerliknande. Mer specifikt, han använder den syntetiska kemins verktyg för att belysa de underliggande principerna för självorganisering – genom att konstruera molekyler som uttryckligen är utformade för att vikas till förutbestämda former. Börjar med monomerer som hans grupp har utvecklat, han bestämmer sig för att producera vad han kallar 'foldamers', genom att sätta samman monomererna en efter en för att generera en veckad makromolekyl.

Strukturer med låga grader av symmetri

"Det normala sättet att få proteiners komplexa struktur är att använda olika typer av monomerer, kallas aminosyror, " som Huc rapporterar. "Och den normala metoden att koppla ihop olika aminosyror i rätt ordning är att länka dem en efter en." Sekvensen av aminosyror innehåller veckningsinformationen som gör att olika proteinsekvenser kan vikas på olika sätt.

"Men vi upptäckte något oväntat och spektakulärt, "säger Huc. Han och hans kollegor i München, Groningen, Bordeaux och Berlin använde ekologiskt, svavelinnehållande monomerer för att spontant få cykliska makromolekyler med en komplex form, som illustreras av deras låga grad av symmetri, utan att kräva en specifik sekvens. Makromolekylerna självsyntetiserar - inga ytterligare villkor är nödvändiga. "Vi lägger bara en monomertyp i en kolv och väntar, " säger Huc. "Detta är typiskt för en polymerisationsreaktion, men polymerer från en enda monomer antar vanligtvis inte komplexa former och slutar inte växa vid en exakt kedjelängd."

För att ytterligare kontrollera reaktionen, forskarna använde också antingen en liten gästmolekyl eller en metalljon. Regulatorn binder i den växande makromolekylen och får monomerer att ordna sig runt den. Genom att välja en regulator med lämpliga egenskaper, författarna till den nya studien kunde producera strukturer med ett förutbestämt antal underenheter. De cykliska makromolekylerna uppvisade låga nivåer av symmetri. Vissa bestod av antingen 13, 17 eller 23 subenheter. Sedan 13, 17 och 23 är primtal, de motsvarande vikta formerna uppvisar låga grader av symmetri.

En modell för biologiska och industriella processer

Intresset för att belysa sådana mekanismer är inte begränsat till grundforskningens område. Huc och hans kollegor hoppas att deras tillvägagångssätt kommer att leda till tillverkning av designerplast. Konventionella polymerer består vanligtvis av blandningar av molekyler som varierar i längd (dvs antalet monomerer de innehåller). Denna heterogenitet påverkar deras fysiska egenskaper. Därav, förmågan att syntetisera polymerkedjor med en exakt längd och/eller geometri förväntas leda till material med nya och intressanta beteenden.

Vidare, Foldamers som de som nu har syntetiserats visar nära strukturella likheter med biopolymerer. De erbjuder därför ett idealiskt modellsystem för att studera proteinernas egenskaper. Varje protein är uppbyggt av en definierad linjär (d.v.s. ogrenad) sekvens av aminosyror, som utgör dess "primära struktur". Men de flesta aminosyrakedjor viker sig till lokala understrukturer som spiralformade sträckor, eller parallella strängar som kan bilda ark. Dessa enheter representerar proteinets sekundära struktur. Termen "tertiär struktur" tillämpas på den helt vikta enkelkedjan. Detta kan i sin tur interagera med andra kedjor för att bilda en funktionell enhet eller kvartär struktur.

Hucs slutmål är att efterlikna komplexa biologiska mekanismer med hjälp av strukturellt definierade, syntetiska prekursorer. Han vill förstå hur till exempel, enzymer fälls in i det korrekta, biologiskt aktiv konformation efter deras syntes i celler. Molekyler vars egenskaper kan kontrolleras exakt i laboratoriet ger idealiska modeller för att räkna ut svaren och kanske gå bortom enzymerna själva.

Studien publiceras i Naturkemi .