Genom att koppla ihop molekyler tror forskare vid Université de Montréal att de har funnit hur molekylära system vid livets ursprung utvecklades för att skapa komplexa självreglerande funktioner.
Publicerad i Angewandte Chemie , deras resultat lovar att ge kemister och nanoteknologer en enkel strategi för att skapa nästa generation av dynamiska nanosystem.
Livet på jorden upprätthålls av miljontals olika små nanostrukturer eller nanomaskiner som har utvecklats under miljontals år, förklarade Alexis Vallée-Bélisle, en UdeM-professor och huvudutredare av studien.
Dessa strukturer, ofta mindre än 10 000 gånger diametern på ett mänskligt hårstrå, är vanligtvis sammansatta av proteiner eller nukleinsyror. Medan vissa är gjorda av en enskild komponent eller del (ofta linjära polymerer som vikas till en specifik struktur), är de flesta av dem gjorda med hjälp av flera komponenter som spontant sätts samman till stora och dynamiska sammansättningar.
"Dessa molekylära sammansättningar är mycket dynamiska och aktiveras eller inaktiveras exakt som svar på olika stimuli såsom en variation i temperatur, syre eller näringsämnen", säger Vallée-Bélisle.
"På liknande sätt som bilar som kräver sekventiell tändning, frigöring av bromsar, växling och gasinmatning för att gå framåt, kräver molekylära system sekventiell aktivering eller inaktivering av olika nanomaskiner för att utföra specifika uppgifter, allt från att röra sig, andas till att tänka."
Forskarna tog upp en grundläggande fråga:hur har dynamiska molekylära sammansättningar skapats, programmerats och finjusterats för att stödja liv?
Vad de fann är att många biologiska sammansättningar troligen bildades genom att slumpmässigt fästa interagerande molekyler (t.ex. proteiner eller nukleinsyror som DNA eller RNA) med länkar som fungerade som en "koppling" mellan varje del.
"Eftersom dessa biomolekylära sammansättningar spelar en avgörande roll för att göra det möjligt för levande organismer att reagera på sin miljö, har vi antagit att karaktären av kopplingen mellan de bifogade komponenterna också kan bidra till utvecklingen av deras dynamiska svar", säger Vallée-Bélisle, innehavare av Canada Research Chair in Bioengineering and Bio-Nanotechnology.
För att undersöka denna fråga beslutade Dominic Lauzon, en doktorand vid tidpunkten för studien, att syntetisera och fästa dussintals DNA-interagerande molekyler tillsammans för att utforska anslutningens inverkan på sammansättningens dynamik.
"Den programmerbara, lättanvända kemin av nukleinsyror som DNA gör det till en bekväm molekyl att studera grundläggande frågor relaterade till utvecklingen av biomolekyler", säger Lauzon, studiens första författare. "Dessutom tros nukleinsyror också vara molekylen i ursprunget till livet på jorden."
Lauzon och Vallée-Bélisle upptäckte att en enkel variation i "länklängden" mellan de interagerande molekylerna leder till betydande variationer i deras sammansättningsdynamik. Till exempel uppvisade vissa sammansättningar hög känslighet för variation i stimuli, medan andra saknade sådan känslighet, eller till och med krävde mycket större förändringar i stimuli för att främja montering.
Mer överraskande skapade vissa länkare till och med nya komplexa regulatoriska funktioner såsom självhämningsegenskaper, där tillägget av en stimulans både skulle främja dess montering och demontering. Alla dessa olika responsiva beteenden observeras också ofta i naturliga "levande" nanomaskiner.
Med hjälp av experiment och matematiska ekvationer kunde forskarna också förklara varför en så enkel variation av länklängden var så effektiv för att modifiera dynamiken i molekylär sammansättning.
"Länkarna som skapade de mest stabila sammansättningarna var de som också skapade de mest känsliga aktiveringsmekanismerna, medan länkarna som skapade de mindre stabila sammansättningarna skapade de mindre känsliga aktiveringsmekanismerna, till och med till den grad att de introducerade självhämning," förklarade Lauzon.
Förmågan att känna av molekylära signaler exakt är avgörande för biologiska sammansättningar men också för utvecklingen av nanoteknik som är beroende av detektering och integration av molekylär information.
Forskarna tror därför att deras upptäckt också kan ge det grundläggande ramverket för att skapa mer programmerbara nanomaskiner eller nanosystem med optimalt reglerade aktiviteter – till exempel genom att helt enkelt fästa interagerande molekyler med olika länkar. Sådana molekylära sammansättningar hittar redan tillämpningar inom biosensing eller läkemedelsleverans.
Förutom att tillhandahålla en enkel designstrategi för att skapa nästa generation av självreglerande nanosystem, belyser forskarnas upptäckter också hur naturliga biomolekylära sammansättningar kan ha fått sin optimala dynamik.
"En välkänd strategi för molekylär evolution för levande organismer är genfusion, där DNA som kodar för två interagerande proteindomäner är slumpmässigt sammansmälta", säger Vallée-Bélisle.
"Våra fynd ger också den grundläggande förståelsen som krävs för att förstå hur en enkel variation i länklängden mellan de sammansmälta proteinerna effektivt kan ha skapat biologiska sammansättningar som uppvisar en mängd olika dynamik, vissa bättre lämpade än andra för att ge en fördel för levande organismer." /P>
Mer information: Dominic Lauzon et al, Design and Thermodynamics Principles to Programming the Cooperativity of Molecular Assemblies, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202313944
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition , Angewandte Chemie
Tillhandahålls av University of Montreal
