Två molekylära språk vid livets ursprung har framgångsrikt återskapats och matematiskt validerats, tack vare banbrytande arbete av kanadensiska forskare vid Université de Montréal.
Studien, "Programming chemical communication:allostery vs. multivalent mechanism", publicerades den 15 augusti 2023 i Journal of the American Chemical Society , öppnar nya dörrar för utvecklingen av nanoteknik med tillämpningar som sträcker sig från biosensing, läkemedelsleverans och molekylär avbildning.
Levande organismer består av miljarder nanomaskiner och nanostrukturer som kommunicerar för att skapa enheter av högre ordning som kan göra många viktiga saker, som att röra sig, tänka, överleva och reproducera sig.
"Nyckeln till livets uppkomst bygger på utvecklingen av molekylära språk - även kallade signalmekanismer - som säkerställer att alla molekyler i levande organismer arbetar tillsammans för att uppnå specifika uppgifter", säger studiens huvudutredare, UdeM bioteknikprofessor Alexis Vallée-Bélisle.
I jästsvampar, till exempel, vid upptäckt och bindning av ett parningsferomon kommer miljarder molekyler att kommunicera och samordna sina aktiviteter för att initiera förening, säger Vallée-Bélisle, innehavare av en kanadensisk forskningsstol i bioteknik och bionanoteknologi.
"När vi går in i nanoteknologins era tror många forskare att nyckeln till att designa och programmera mer komplexa och användbara artificiella nanosystem är beroende av vår förmåga att förstå och bättre använda molekylära språk som utvecklats av levande organismer," sa han.
Ett välkänt molekylärt språk är allosteri. Mekanismen för detta språk är "lås-och-nyckel":en molekyl binder och modifierar strukturen hos en annan molekyl, vilket styr den att utlösa eller hämma en aktivitet.
Ett annat, mindre känt molekylärt språk är multivalens, även känt som kelateffekten. Det fungerar som ett pussel:eftersom en molekyl binder till en annan, underlättar den (eller inte) bindningen av en tredje molekyl genom att helt enkelt öka dess bindningsgränssnitt.
Även om dessa två språk observeras i alla molekylära system hos alla levande organismer, är det först nyligen som forskare har börjat förstå deras regler och principer – och därför använder dessa språk för att designa och programmera ny artificiell nanoteknik.
"Med tanke på de naturliga nanosystemens komplexitet kunde ingen tidigare jämföra de grundläggande reglerna, fördelarna eller begränsningarna för dessa två språk på samma system," sa Vallée-Bélisle.
För att göra det hade hans doktorand Dominic Lauzon, första författare till studien, idén att skapa ett DNA-baserat molekylärt system som kunde fungera med båda språken. "DNA är som legoklossar för nanoingenjörer", sa Lauzon. "Det är en anmärkningsvärd molekyl som erbjuder enkel, programmerbar och lättanvänd kemi."
Forskarna fann att enkla matematiska ekvationer mycket väl kunde beskriva båda språken, vilket avslöjade parametrarna och designreglerna för att programmera kommunikationen mellan molekyler inom ett nanosystem.
Till exempel, medan det multivalenta språket möjliggjorde kontroll av både känsligheten och kooperativiteten för aktiveringen eller deaktiveringen av molekylerna, möjliggjorde den motsvarande allosteriska översättningen endast kontroll av svarets känslighet.
Med denna nya förståelse till hands använde forskarna språket multivalens för att designa och konstruera en programmerbar antikroppssensor som tillåter detektering av antikroppar över olika koncentrationsintervall.
"Som visat sig med den senaste pandemin är vår förmåga att exakt övervaka koncentrationen av antikroppar i den allmänna befolkningen ett kraftfullt verktyg för att bestämma människors individuella och kollektiva immunitet", säger Vallée-Bélisle.
Förutom att utöka den syntetiska verktygslådan för att skapa nästa generations nanoteknik, belyser forskarens upptäckt också varför vissa naturliga nanosystem kan ha valt ett språk framför ett annat för att kommunicera kemisk information.
Mer information: Dominic Lauzon et al, Programmering av kemisk kommunikation:allosteri vs multivalent mekanism, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c04045
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av University of Montreal
