Oprettelse af selvkonstruerede foldede makrocykler med lav symmetri

Syntesen og selvorganiseringen af ​​biologiske makromolekyler er afgørende for livet på jorden. Ludwig Maximilian University of Munich kemikere rapporterer nu om spontan fremkomst af komplekse ringformede makromolekyler med lave symmetrigrader i laboratoriet.

Monomerer, molekyler, der består af flere gentagne underenheder, der kan variere eller ej i deres kemiske struktur, er klassificeret som makromolekyler eller polymerer. Eksempler findes i naturen, herunder proteiner og nukleinsyrer, som er kernen i alle biologiske systemer. Proteiner danner ikke kun grundlaget for strukturelle elementer i celler, de tjener også som enzymer - som katalyserer stort set alle de utallige kemiske transformationer, der finder sted i levende systemer.

I modsætning, nukleinsyrer såsom DNA og RNA tjener som informationsmakromolekyler. DNA lagrer cellens genetiske information, som selektivt kopieres til RNA -molekyler, der tilvejebringer tegningerne til syntese af proteiner. Ud over, lange kæder sammensat af sukkerenheder giver energireserver i form af glykogen, som opbevares i leveren og musklerne. Disse forskellige klasser af polymere molekyler har alle ét træk til fælles:De foldes spontant til karakteristiske rumlige konformationer, for eksempel den berømte DNA -dobbeltspiral, som i de fleste tilfælde er afgørende for deres biokemiske funktioner.

Professor Ivan Huc (Farmaceutisk Institut, LMU) studerer aspekter af selvorganiseringsprocesserne, der gør det muligt for makromolekyler at antage definerede foldede former. De molekylære strukturer, der findes i naturen, giver ham modeller, hvis egenskaber han forsøger at reproducere i laboratoriet med ikke-naturlige molekyler, der hverken er proteiner, nukleinsyrer eller sukkerlignende. Mere specifikt, han bruger den syntetiske kemi til at belyse de underliggende principper for selvorganisering – ved at konstruere molekyler, der udtrykkeligt er designet til at foldes til forudbestemte former. Begyndende med monomerer, som hans gruppe har udviklet, han sætter sig for at producere det, han kalder 'foldamer, "ved at samle monomerer en efter en for at generere et foldet makromolekyle.

Strukturer med lave grader af symmetri

"Den normale måde at få den komplekse struktur af proteiner på er at bruge forskellige typer monomerer, kaldet aminosyrer, " som Huc rapporterer. "Og den normale metode til at forbinde forskellige aminosyrer i den korrekte rækkefølge er at forbinde dem en efter en." Sekvensen af ​​aminosyrer indeholder foldningsinformationen, der tillader forskellige proteinsekvenser at folde på forskellige måder.

"Men vi opdagede noget uventet og spektakulært, " siger Huc. Han og hans kolleger i München, Groningen, Bordeaux og Berlin brugte økologisk, svovlholdige monomerer til spontant at få cykliske makromolekyler med en kompleks form, som illustreret ved deres lave grad af symmetri, uden at kræve en bestemt rækkefølge. Makromolekylerne selvsyntetiserer-ingen yderligere betingelser er nødvendige. "Vi putter kun én monomertype i en kolbe og venter, " siger Huc. "Dette er typisk for en polymerisationsreaktion, men polymerer fra en enkelt monomer antager normalt ikke komplekse former og stopper ikke med at vokse ved en præcis kædelængde."

For yderligere at kontrollere reaktionen, forskerne brugte også enten et lille gæstemolekyle eller en metalion. Regulatoren binder sig i det voksende makromolekyle og får monomerer til at arrangere sig omkring det. Ved at vælge en regulator med de passende egenskaber, forfatterne af den nye undersøgelse var i stand til at producere strukturer med et forudbestemt antal underenheder. De cykliske makromolekyler udviste lave niveauer af symmetri. Nogle bestod af enten 13, 17 eller 23 underenheder. Siden 13, 17 og 23 er primtal, de tilsvarende foldede former udviser lave grader af symmetri.

En model for biologiske og industrielle processer

Interessen for at belyse sådanne mekanismer er ikke begrænset til grundforskningens område. Huc og hans kolleger håber, at deres tilgang vil føre til fremstilling af designerplast. Konventionelle polymerer består normalt af blandinger af molekyler, der varierer i længde (dvs. antallet af monomerer, de indeholder). Denne heterogenitet har en indvirkning på deres fysiske egenskaber. Derfor, evnen til at syntetisere polymerkæder af en nøjagtig længde og/eller geometri forventes at føre til materialer med ny og interessant adfærd.

Desuden, foldamere som dem, der nu er blevet syntetiseret, viser tætte strukturelle ligheder med biopolymerer. De tilbyder derfor et ideelt modelsystem til at studere proteiners egenskaber. Hvert protein består af en defineret lineær (dvs. uforgrenet) sekvens af aminosyrer, som udgør dens "primære struktur." Men de fleste aminosyrekæder foldes ind i lokale understrukturer, såsom spiralformede strækninger, eller parallelle tråde, der kan danne ark. Disse enheder repræsenterer proteinets sekundære struktur. Udtrykket 'tertiær struktur' anvendes på den fuldt foldede enkeltkæde. Dette kan igen interagere med andre kæder for at danne en funktionel enhed eller kvartær struktur.

Hucs ultimative mål er at efterligne komplekse biologiske mekanismer ved hjælp af strukturelt definerede, syntetiske forstadier. Han vil forstå, hvordan for eksempel, enzymer foldes til den rigtige, biologisk aktiv konformation efter deres syntese i celler. Molekyler, hvis egenskaber kan kontrolleres præcist i laboratoriet, giver ideelle modeller til at finde ud af svarene og måske gå ud over enzymerne selv.

Undersøgelsen er publiceret i Naturkemi .