_ Cum sistemele moleculare la origine s-ar putea să fi evoluat: creșterea nanomașinilor

Prin atașarea moleculelor, oamenii de știință de la Universitatea din Montréal cred că au descoperit cum au evoluat sistemele moleculare de la originea vieții pentru a crea funcții complexe de autoreglare.

Publicate în Angewandte Chemie, descoperirile lor promit să ofere chimiștilor și nanotehnologilor o strategie simplă pentru a crea următoarea generație de nanosisteme dinamice.

Viața pe Pământ este susținută de milioane de nanostructuri mici diferite. sau nanomașini care au evoluat de-a lungul a milioane de ani, a explicat Alexis Vallée-Bélisle, profesor UdeM și cercetător principal al studiului.

Aceste structuri, adesea mai mici de 10.000 de ori diametrul unui păr uman, sunt de obicei compus din proteine ​​sau acizi nucleici. În timp ce unele sunt fabricate dintr-o singură componentă sau parte (adesea polimeri liniari care se pliază într-o structură specifică), majoritatea sunt realizate folosind mai multe componente care se adună spontan în ansambluri mari și dinamice.

„Aceste ansambluri moleculare. sunt extrem de dinamice și se activează sau se dezactivează exact ca răspuns la diverși stimuli, cum ar fi o variație a temperaturii, oxigenului sau nutrienților”, a spus Vallée-Bélisle.

„La fel cu mașinile care necesită aprindere secvențială, eliberare a frânei, schimbarea vitezei și intrarea gazului pentru a merge mai departe, sistemele moleculare necesită activarea sau dezactivarea secvențială a diferitelor nanomașini pentru a îndeplini sarcini specifice, de la mișcare, respirație la gândire."

Cercetătorii au ridicat o întrebare fundamentală: cum au avut ansambluri moleculare dinamice au fost create, programate și reglate fin pentru a susține viața?

Ceea ce au descoperit este că multe ansambluri biologice s-au format probabil prin atașarea aleatorie a moleculelor care interacționează (de exemplu, proteine ​​sau acizi nucleici, cum ar fi ADN sau ARN). ) cu linkerii acționând ca un „conector” între fiecare parte.

„Deoarece aceste ansambluri biomoleculare joacă un rol crucial în a permite organismelor vii să răspundă la mediul lor, am emis ipoteza că natura conectivității dintre componentele atașate pot contribui, de asemenea, la evoluția răspunsurilor lor dinamice”, a declarat Vallée-Bélisle, titularul Catedrei de cercetare în Canada în bioinginerie și bio-nanotehnologie.

Pentru a explora această întrebare, Dominic Lauzon, doctorand la momentul studiului, a decis să sintetizeze și să atașeze zeci de molecule de ADN care interacționează împreună pentru a explora impactul conectivității asupra dinamicii asamblarii.

„Chimia programabilă, ușor de utilizat, a nucleelor acizi precum ADN-ul o fac o moleculă convenabilă pentru a studia întrebări fundamentale legate de evoluția biomoleculelor”, a spus Lauzon, primul autor al studiului. „În plus, se crede că acizii nucleici sunt, de asemenea, molecula de la originea vieții pe Pământ.”

Lauzon și Vallée-Bélisle au descoperit că o simplă variație a lungimii „linkerului” între moleculele care interacționează duce la variaţii semnificative ale dinamicii lor de asamblare. De exemplu, anumite ansambluri prezentau o sensibilitate ridicată la variația stimulilor, în timp ce altele nu aveau o astfel de sensibilitate sau chiar necesitau modificări mult mai mari ale stimulilor pentru a promova asamblarea.

Mai surprinzător, unii linkeri au creat chiar și noi funcții de reglare complexe, cum ar fi ca proprietăți de auto-inhibare, în care adăugarea unui stimul ar promova atât asamblarea, cât și dezasamblarea acestuia. Toate aceste comportamente de răspuns diferite sunt adesea observate și în nanomașinile naturale „vii”.

Folosind experimente și ecuații matematice, cercetătorii au reușit, de asemenea, să explice de ce o astfel de variație simplă a lungimii linkerului a fost atât de eficientă în modificarea dinamica asamblarii moleculare.

„Lingătorii care au creat cele mai stabile ansambluri au fost cei care au creat și cele mai sensibile mecanisme de activare, în timp ce linkerii care au creat ansamblurile mai puțin stabile au creat mecanismele de activare mai puțin sensibile, chiar până la punctul de a introduce auto-inhibarea ”, a explicat Lauzon.

Abilitatea de a detecta semnalele moleculare cu precizie este crucială pentru ansamblurile biologice, dar și în dezvoltarea nanotehnologiei care depinde de detectarea și integrarea informațiilor moleculare.

The Prin urmare, cercetătorii cred că descoperirea lor poate oferi, de asemenea, cadrul fundamental pentru a crea nanomașini sau nanosisteme mai programabile cu activități reglate optim - de exemplu, prin simpla atașare a moleculelor care interacționează cu linkeri variați. Astfel de ansambluri moleculare își găsesc deja aplicații în biodetecția sau livrarea de medicamente.

Pe lângă faptul că oferă o strategie simplă de proiectare pentru a crea următoarea generație de nanosisteme autoreglate, descoperirile oamenilor de știință aruncă, de asemenea, lumină asupra modului în care biomoleculară naturală. este posibil ca ansamblurile să fi dobândit dinamica lor optimă.

„O strategie de evoluție moleculară bine-cunoscută a organismelor vii este fuziunea genelor, în care ADN-ul care codifică două domenii de proteine ​​care interacționează sunt fuzionate aleatoriu”, a spus Vallée-Bélisle.

"Descoperirile noastre oferă, de asemenea, înțelegerea fundamentală necesară pentru a înțelege modul în care o simplă variație a lungimii linkerului dintre proteinele fuzionate poate fi creat eficient ansambluri biologice care prezintă o varietate de dinamică, unele mai potrivite decât altele pentru a oferi un avantaj organismelor vii.”

(Fluierul)