Forskere demonstrerer, hvordan biomolekyleblandinger kommunikerer, interagerer og tilpasser sig deres miljø

En post-doc forsker ved Advanced Science Research Center ved CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) har taget et vigtigt skridt i retning af at forstå, hvordan komplekse blandinger af biomolekylære byggesten danner selvorganiserede mønstre.

Opdagelsen - detaljeret i et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Chem og forfattet af Ankit Jain, et medlem af CUNY ASRC Nanoscience Initiative Director Rein Ulijns laboratorium – giver ny viden om adaptive biologiske funktioner, som kan være kritiske ved design af nye materialer og teknologier med lignende evner og egenskaber.

"Alle livsformer starter med de samme bevarede sæt af byggesten, som inkluderer de 20 aminosyrer, der udgør proteiner," sagde Jain. "At finde ud af, hvordan blandinger af disse molekyler kommunikerer, interagerer og danner selvorganiserende mønstre, ville øge vores forståelse af, hvordan biologi skaber funktionalitet. Denne forståelse kunne også give anledning til helt nye måder at skabe materialer og teknologier på, der inkorporerer livsprocesser som f.eks. vokser, heler og udvikler nye egenskaber, når det er nødvendigt."

Jain tog en ny, syntetisk tilgang til at begynde at afdække, hvordan komplekse biomolekyleblandinger interagerer og kollektivt tilpasser sig ændringer i deres miljø. I stedet for at forsøge at adskille molekylær organisation i eksisterende systemer, som dem der findes i biologiske celler, adresserede han problemet i et reagensglas ved at skabe blandinger med komponenter designet til at reagere og interagere. Jain sporede og observerede derefter fremkomsten af ​​stadig mere komplekse mønstre, som biomolekylerne spontant dannede som reaktion på ændringer i deres miljø.

"Komplekse blandinger af interagerende molekyler er grundlæggende for livsprocesser, men de er ikke almindeligt studeret i kemi laboratorier, fordi de er rodet, meget komplicerede og svære at studere og forstå," sagde Ulijn. "Systematisk design af blandinger og sporing af deres adfærd giver os mulighed for at foretage grundlæggende observationer om, hvordan blandinger af molekyler bliver til funktionelle kollektiver. Vi var i stand til at detaljere, hvordan disse kemiske systemer absorberer ændringer i eksterne forhold for at danne specifikke mønstre for opbygning og nedbrydning. Vi har også opdagede, at systemer med så mange variabler viser en stokastisk adfærd, så selvom den overordnede mønsterdannelse ser ens ud, når man kører flere eksperimenter, er de præcise detaljer i to uafhængige eksperimenter forskellige."

Jains eksperiment begyndte med at blande en række udvalgte dipeptider, som er minimalistiske proteinlignende forbindelser sammensat af to aminosyrer. Disse sæt af dipeptider (designet baseret på deres evne til at aggregere og interagere) indeholdt også en katalysator, der gjorde det muligt for dipeptiderne at rekombinere dynamisk og danne peptider med mere komplekse interaktionsmønstre. Det mest komplekse system, der blev studeret i denne artikel, begyndte med 15 forskellige dipeptider, som reversibelt kombineres for at danne 225 unikke tetrapeptider. Det var derefter muligt for Jain at spore dannelsen og nedbrydningen af ​​peptider med forskellig sekvens i blandingerne. Han observerede, at deres interaktionsmønstre var stærkt dikteret af miljøforhold.

At belyse molekylær selvorganisering gennem hierarkiske mønstre af både kovalente og ikke-kovalente interaktioner er nøglen til at forstå, hvordan biologiske funktioner, der er relevante for liv, opstår. Den nye bottom-up-tilgang gør det muligt for forskere for første gang at forstå ensemblekarakteristika og samtidig give molekylær opløsning af informationen. Arbejdet viser, at blandinger af simple molekyler demonstrerer spontan sekvensudvælgelse, som kan give indsigt i den kemiske oprindelse af biologisk funktion. Samlet set vil design af adaptive systemer baseret på multi-komponent blandinger sandsynligvis føre til opdagelse af, hvordan mønstre dikterer dannelsen af ​​rekonfigurerbare, funktionelle materialer, der lover fremtidige bioinspirerede teknologier. + Udforsk yderligere

Optrævling af tautomere blandinger