Hvordan molekylære systemer ved livets oprindelse kan have udviklet sig:Nanomaskinernes stigning

Ved at knytte molekyler sammen tror forskere ved Université de Montréal, at de har fundet ud af, hvordan molekylære systemer ved livets oprindelse udviklede sig til at skabe komplekse selvregulerende funktioner.

Udgivet i Angewandte Chemie , deres resultater lover at give kemikere og nanoteknologer en enkel strategi til at skabe den næste generation af dynamiske nanosystemer.

Livet på Jorden opretholdes af millioner af forskellige bittesmå nanostrukturer eller nanomaskiner, der har udviklet sig over millioner af år, forklarede Alexis Vallée-Bélisle, en UdeM-professor og hovedefterforsker af undersøgelsen.

Disse strukturer, ofte mindre end 10.000 gange diameteren af ​​et menneskehår, er typisk sammensat af proteiner eller nukleinsyrer. Mens nogle er lavet af en enkelt komponent eller del (ofte lineære polymerer, der foldes til en specifik struktur), er de fleste af dem lavet ved hjælp af flere komponenter, der spontant samles til store og dynamiske samlinger.

At reagere på stimuli

"Disse molekylære samlinger er meget dynamiske og aktiverer eller deaktiverer præcist som reaktion på forskellige stimuli såsom en variation i temperatur, ilt eller næringsstoffer," sagde Vallée-Bélisle.

"På samme måde som biler, der kræver sekventiel tænding, udløsning af bremser, gearskift og gasinput for at bevæge sig fremad, kræver molekylære systemer sekventiel aktivering eller deaktivering af forskellige nanomaskiner for at udføre specifikke opgaver lige fra bevægelse, vejrtrækning til tænkning."

Forskerne rejste et grundlæggende spørgsmål:hvordan er dynamiske molekylære samlinger blevet skabt, programmeret og finjusteret til at understøtte livet?

Det, de fandt, er, at mange biologiske samlinger sandsynligvis blev dannet ved tilfældigt at binde interagerende molekyler (f.eks. proteiner eller nukleinsyrer såsom DNA eller RNA) med linkere, der fungerede som en "forbindelse" mellem hver del.

"Da disse biomolekylære samlinger spiller en afgørende rolle i at gøre det muligt for levende organismer at reagere på deres miljø, har vi antaget, at arten af ​​forbindelsen mellem de vedhæftede komponenter også kan bidrage til udviklingen af ​​deres dynamiske reaktioner," sagde Vallée-Bélisle, indehaver. af Canada Research Chair in Bioengineering and Bio-Nanotechnology.

Udforsker virkningen af ​​tilslutning

For at udforske dette spørgsmål besluttede Dominic Lauzon, en ph.d.-studerende på tidspunktet for undersøgelsen, at syntetisere og knytte snesevis af DNA-interagerende molekyler sammen for at udforske forbindelsens indvirkning på samlingens dynamik.

"Den programmerbare, brugervenlige kemi af nukleinsyrer såsom DNA gør det til et bekvemt molekyle at studere grundlæggende spørgsmål relateret til udviklingen af ​​biomolekyler," sagde Lauzon, den første forfatter til undersøgelsen. "Desuden menes nukleinsyrer også at være molekylet i oprindelsen af ​​liv på Jorden."

Lauzon og Vallée-Bélisle opdagede, at en simpel variation i "linker"-længden mellem de interagerende molekyler fører til betydelige variationer i deres samlingsdynamik. For eksempel udviste visse samlinger høj følsomhed over for variation i stimuli, mens andre manglede en sådan følsomhed eller endda krævede meget større ændringer i stimuli for at fremme samling.

Mere overraskende skabte nogle linkere endda nye komplekse regulatoriske funktioner såsom selvinhiberende egenskaber, hvor tilføjelsen af ​​en stimulus både ville fremme dens samling og dens adskillelse. Alle disse forskellige responsive adfærd observeres også ofte i naturlige "levende" nanomaskiner.

Ved hjælp af eksperimenter og matematiske ligninger var forskerne også i stand til at forklare, hvorfor en så simpel variation af linkerlængde var så effektiv til at modificere dynamikken i molekylær samling.

"De linkere, der skabte de mest stabile samlinger, var dem, der også skabte de mest følsomme aktiveringsmekanismer, mens de linkere, der skabte de mindre stabile samlinger, skabte de mindre følsomme aktiveringsmekanismer, endda til det punkt, hvor de introducerede selvhæmning," forklarede Lauzon.

Sansning er afgørende

Evnen til at sanse molekylære signaler præcist er afgørende for biologiske samlinger, men også i udviklingen af ​​nanoteknologi, der afhænger af detektion og integration af molekylær information.

Forskerne mener derfor, at deres opdagelse også kan give den grundlæggende ramme til at skabe mere programmerbare nanomaskiner eller nanosystemer med optimalt regulerede aktiviteter - for eksempel ved blot at vedhæfte interagerende molekyler med forskellige linkere. Sådanne molekylære samlinger finder allerede anvendelse i biosensing eller medicinafgivelse.

Ud over at give en simpel designstrategi til at skabe den næste generation af selvregulerede nanosystemer, kaster forskernes opdagelser også lys over, hvordan naturlige biomolekylære samlinger kan have opnået deres optimale dynamik.

"En velkendt molekylær udviklingsstrategi for levende organismer er genfusion, hvor DNA'et, der koder for to interagerende proteindomæner, er tilfældigt fusioneret," sagde Vallée-Bélisle.

"Vores resultater giver også den grundlæggende forståelse, der kræves for at forstå, hvordan en simpel variation i linkerlængden mellem de fusionerede proteiner effektivt kan have skabt biologiske samlinger, der viser en række forskellige dynamikker, nogle bedre egnede end andre til at give en fordel for levende organismer."

Flere oplysninger: Dominic Lauzon et al., Design and Thermodynamics Principles to Program the Cooperativity of Molecular Assemblys, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202313944

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition , Angewandte Chemie

Leveret af University of Montreal