Ученым удалось воссоздать молекулярные языки жизни

Благодаря новаторской работе канадских ученых из Монреальского университета были успешно воссозданы и математически обоснованы два молекулярных языка зарождения жизни.

Опубликованная на этой неделе в Journal of American Chemical Society работа открывает новые двери для развития нанотехнологий, которые могут найти применение в таких областях, как биосенсинг, доставка лекарств и молекулярная визуализация.

Живые организмы состоят из миллиардов наномашин и наноструктур, которые взаимодействуют между собой, создавая структуры более высокого порядка, способные выполнять множество важнейших действий, таких как движение, мышление, выживание и воспроизводство.

Ключ к возникновению жизни лежит в развитии молекулярных языков — так называемых сигнальных механизмов, — которые обеспечивают совместную работу всех молекул в живых организмах для решения конкретных задач, — говорит главный исследователь исследования, профессор биоинженерии Университета Удэма Алексис Валле-Белисл (Alexis Vallée-Bélisle).

Например, у дрожжей при обнаружении и связывании феромона спаривания миллиарды молекул связываются и координируют свои действия, чтобы инициировать союз, — говорит Валле-Белисле, обладатель Канадской исследовательской кафедры по биоинженерии и бионанотехнологиям.

Многие ученые считают, что ключ к созданию и программированию более сложных и полезных искусственных наносистем лежит в нашей способности понимать и лучше использовать молекулярные языки, разработанные живыми организмами, — сказал он.

Два типа языков

Одним из известных молекулярных языков является аллостерия. Механизм этого языка — «замок-ключ»: молекула связывается с другой молекулой и изменяет ее структуру, направляя ее на активацию или ингибирование той или иной активности.

Другой, менее известный молекулярный язык — мультивалентность, известная также как хелатный эффект. Он работает по принципу головоломки: когда одна молекула связывается с другой, она облегчает (или не облегчает) связывание третьей молекулы, просто увеличивая ее интерфейс связывания.

Хотя эти два языка наблюдаются во всех молекулярных системах всех живых организмов, лишь недавно ученые начали понимать их правила и принципы и использовать эти языки для проектирования и программирования новых искусственных нанотехнологий.

Учитывая сложность природных наносистем, до сих пор никто не мог сравнить основные правила, преимущества и ограничения этих двух языков на одной и той же системе, — говорит Валле-Белисле.

Для этого у его докторанта Доминика Лаузона, первого автора исследования, возникла идея создать молекулярную систему на основе ДНК, которая могла бы функционировать, используя оба языка.

ДНК — это как кирпичики Lego для наноинженеров, — говорит Лаузон.

Это замечательная молекула, которая предлагает простую, программируемую и легкую в использовании химию.

Простые математические уравнения для обнаружения антител

Исследователи обнаружили, что простые математические уравнения могут хорошо описывать оба языка, что позволяет определить параметры и правила проектирования для программирования связи между молекулами внутри наносистемы.

Например, если мультивалентный язык позволяет управлять как чувствительностью, так и кооперативностью активации или деактивации молекул, то соответствующий аллостерический перевод позволяет управлять только чувствительностью реакции.

Опираясь на это новое понимание, исследователи использовали язык многовалентности для разработки и создания программируемого сенсора антител, который позволяет обнаруживать антитела в различных диапазонах концентраций.

Как показала недавняя пандемия, наша способность точно отслеживать концентрацию антител в общей популяции является мощным инструментом для определения индивидуального и коллективного иммунитета людей, — сказал Валле-Белисле.

Открытие ученого не только расширяет набор синтетических инструментов для создания нанотехнологий нового поколения, но и проливает свет на то, почему некоторые природные наносистемы могли выбрать один язык для передачи химической информации, а не другой.

15.08.2023