Afkodning af, hvordan molekyler taler med hinanden for at udvikle nye nanoteknologier

To molekylære sprog ved livets oprindelse er med succes blevet genskabt og matematisk valideret, takket være banebrydende arbejde udført af canadiske videnskabsmænd ved Université de Montréal.

Undersøgelsen, "Programming chemical communication:allostery vs. multivalent mechanism," offentliggjort 15. august 2023 i Journal of the American Chemical Society , åbner nye døre for udviklingen af ​​nanoteknologier med applikationer lige fra biosensing, lægemiddellevering og molekylær billeddannelse.

Levende organismer består af milliarder af nanomaskiner og nanostrukturer, der kommunikerer for at skabe enheder af højere orden, der er i stand til at gøre mange vigtige ting, såsom at bevæge sig, tænke, overleve og reproducere.

"Nøglen til livets opståen afhænger af udviklingen af ​​molekylære sprog - også kaldet signalmekanismer - som sikrer, at alle molekyler i levende organismer arbejder sammen for at opnå specifikke opgaver," sagde undersøgelsens hovedforsker, UdeM bioingeniørprofessor Alexis Vallée-Bélisle.

I gær vil milliarder af molekyler f.eks. efter påvisning og binding af et parringsferomon kommunikere og koordinere deres aktiviteter for at indlede forening, sagde Vallée-Bélisle, indehaver af en Canada Research Chair i Bioengineering and Bionanotechnology.

"Når vi går ind i nanoteknologiens æra, tror mange forskere, at nøglen til at designe og programmere mere komplekse og nyttige kunstige nanosystemer afhænger af vores evne til at forstå og bedre anvende molekylære sprog udviklet af levende organismer," sagde han.

To typer sprog

Et velkendt molekylært sprog er allosteri. Mekanismen i dette sprog er "lås og nøgle":et molekyle binder og ændrer strukturen af ​​et andet molekyle, hvilket leder det til at udløse eller hæmme en aktivitet.

Et andet, mindre kendt molekylært sprog er multivalens, også kendt som chelateffekten. Det fungerer som et puslespil:Når et molekyle binder til et andet, letter det (eller ej) bindingen af ​​et tredje molekyle ved blot at øge dets bindingsgrænseflade.

Selvom disse to sprog er observeret i alle molekylære systemer i alle levende organismer, er det først for nylig, at videnskabsmænd er begyndt at forstå deres regler og principper – og derfor bruger disse sprog til at designe og programmere nye kunstige nanoteknologier.

"I betragtning af kompleksiteten af ​​naturlige nanosystemer var der ingen, der før nu var i stand til at sammenligne de grundlæggende regler, fordele eller begrænsninger ved disse to sprog på det samme system," sagde Vallée-Bélisle.

For at gøre det havde hans ph.d.-studerende Dominic Lauzon, førsteforfatter til undersøgelsen, ideen om at skabe et DNA-baseret molekylært system, der kunne fungere ved hjælp af begge sprog. "DNA er ligesom legoklodser for nanoingeniører," sagde Lauzon. "Det er et bemærkelsesværdigt molekyle, der tilbyder enkel, programmerbar og letanvendelig kemi."

Simple matematiske ligninger til påvisning af antistoffer

Forskerne fandt ud af, at simple matematiske ligninger godt kunne beskrive begge sprog, hvilket afslørede parametrene og designreglerne for at programmere kommunikationen mellem molekyler i et nanosystem.

For eksempel, mens det multivalente sprog muliggjorde kontrol af både følsomheden og kooperativiteten af ​​aktiveringen eller deaktiveringen af ​​molekylerne, muliggjorde den tilsvarende allosteriske translation kun kontrol af følsomheden af ​​responsen.

Med denne nye forståelse ved hånden brugte forskerne sproget om multivalens til at designe og konstruere en programmerbar antistofsensor, der tillader påvisning af antistoffer over forskellige koncentrationsområder.

"Som vist med den seneste pandemi, er vores evne til præcist at overvåge koncentrationen af ​​antistoffer i den almindelige befolkning et stærkt værktøj til at bestemme folks individuelle og kollektive immunitet," sagde Vallée-Bélisle.

Ud over at udvide den syntetiske værktøjskasse til at skabe den næste generation af nanoteknologi, belyser videnskabsmandens opdagelse også, hvorfor nogle naturlige nanosystemer kan have valgt et sprog frem for et andet til at kommunikere kemisk information.

Flere oplysninger: Dominic Lauzon et al., Programmering af kemisk kommunikation:allosteri vs multivalent mekanisme, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c04045

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af University of Montreal