En postdoktorand forskare vid Advanced Science Research Center vid CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) har tagit ett viktigt steg mot att förstå hur komplexa blandningar av biomolekylära byggstenar bildar självorganiserade mönster.

Upptäckten – detaljerad i en ny artikel publicerad i tidskriften Chem och författad av Ankit Jain, medlem av CUNY ASRC Nanoscience Initiative Director Rein Ulijns labb – ger ny kunskap om adaptiva biologiska funktioner, som kan vara avgörande för att designa nya material och teknologier med liknande förmågor och egenskaper.

"Alla livsformer börjar med samma bevarade uppsättningar av byggstenar, som inkluderar de 20 aminosyrorna som utgör proteiner," sa Jain. "Att ta reda på hur blandningar av dessa molekyler kommunicerar, interagerar och bildar självorganiserande mönster skulle öka vår förståelse för hur biologi skapar funktionalitet. Denna förståelse skulle också kunna ge upphov till helt nya sätt att skapa material och teknologier som innefattar livsprocesser som anpassning, växa, läka och utveckla nya egenskaper när det behövs."

Jain tog ett nytt, syntetiskt tillvägagångssätt för att börja avslöja hur komplexa biomolekylblandningar interagerar och kollektivt anpassar sig till förändringar i sin miljö. Istället för att försöka reda ut molekylär organisation i befintliga system, som de som finns i biologiska celler, tog han upp problemet i ett provrör genom att skapa blandningar med komponenter utformade för att reagera och interagera. Jain spårade och observerade sedan uppkomsten av allt mer komplexa mönster som biomolekylerna spontant bildade som svar på förändringar i deras miljö.

"Komplexa blandningar av interagerande molekyler är grundläggande för livsprocesser, men de studeras inte vanligtvis i kemilabb, eftersom de är röriga, mycket komplicerade och svåra att studera och förstå", säger Ulijn. "Att systematiskt utforma blandningar och spåra deras beteende gör att vi kan göra grundläggande observationer om hur blandningar av molekyler blir funktionella kollektiv. Vi kunde detaljera hur dessa kemiska system absorberar förändringar i yttre förhållanden för att bilda specifika mönster av uppbyggnad och nedbrytning. Vi har också upptäckte att system med så många variabler visar ett stokastiskt beteende, så även om den övergripande mönsterbildningen ser likadan ut när man kör flera experiment, är de exakta detaljerna i två oberoende experiment olika."

Jains experiment började med att blanda ett antal utvalda dipeptider, som är minimalistiska proteinliknande föreningar som består av två aminosyror. Dessa uppsättningar av dipeptider (designade baserat på deras förmåga att aggregera och interagera) innehöll också en katalysator som gjorde det möjligt för dipeptiderna att dynamiskt rekombinera och bilda peptider med mer komplexa interaktionsmönster. Det mest komplexa systemet som studeras i denna artikel började med 15 olika dipeptider, som reversibelt kombineras för att bilda 225 unika tetrapeptider. Det var då möjligt för Jain att spåra bildandet och nedbrytningen av peptider med olika sekvens i blandningarna. Han observerade att deras interaktionsmönster starkt dikterades av miljöförhållanden.

Att belysa molekylär självorganisering genom hierarkiska mönster av både kovalenta och icke-kovalenta interaktioner är nyckeln till att förstå hur biologiska funktioner som är relevanta för livet uppstår. Den nya nedifrån-och-upp-metoden gör det möjligt för forskare att för första gången förstå ensembleegenskaper samtidigt som den tillhandahåller molekylär upplösning av informationen. Arbetet visar att blandningar av enkla molekyler visar spontant sekvensval, vilket kan ge insikter om biologisk funktions kemiska ursprung. Sammantaget kommer designen av adaptiva system baserade på blandningar med flera komponenter sannolikt att leda till upptäckten av hur mönster dikterar bildandet av omkonfigurerbara, funktionella material som lovar framtida bioinspirerade teknologier. + Utforska vidare

Upplösning av tautomera blandningar