Вчені з'ясували, як зароджувалися складні системи управління молекулами

Вчені з Університету Монреалю відкрили потенційний шлях еволюції молекулярних систем, який міг сприяти виникненню складних функцій, що саморегулюються, на ранніх етапах життя. Дослідження, опубліковане в журналі Angewandte Chemie, пропонує хімікам та нанотехнологам просту стратегію створення нового покоління динамічних наносистем.

"Життя на Землі підтримується мільйонами різних наноструктур або наномашин, які еволюціонували протягом мільйонів років", - пояснив професор Алексіс Валле-Белісл, провідний дослідник роботи. Ці структури, які зазвичай мають розміри від декількох до сотень нанометрів, складаються з білків або нуклеїнових кислот. Хоча деякі з них сформовані з одного компонента, більшість створюється шляхом самоскладання з декількох компонентів у великі та динамічні ансамблі.

Ці молекулярні ансамблі високодинамічні та активуються або деактивуються у точній відповідності до різних стимулів, таких як зміни температури, концентрації кисню або поживних речовин, - підкреслює Валле-Белісл. Подібно до автомобіля, рух якого вперед вимагає строго певної послідовності дій, молекулярні системи потребують поетапної активації або деактивації різних «наномашин» для виконання конкретних завдань.

Основне питання дослідження полягало в тому, як були сформовані, запрограмовані та відрегульовані динамічні молекулярні ансамблі, щоб забезпечувати життєдіяльність. Вчені з'ясували, що багато біологічних ансамблів, ймовірно, створювалися шляхом випадкового з'єднання взаємодіючих молекул (таких як білки або нуклеїнові кислоти) за допомогою сполучних елементів, що діють як своєрідні конектори між складовими частинами.

Аспірант Домінік Лозон у рамках дослідження синтезував та поєднав десятки взаємодіючих молекул ДНК, щоб вивчити вплив зв'язності на динаміку складання ансамблів. Було виявлено, що навіть невелика зміна в довжині сполучних елементів між молекулами призводить до істотних відмінностей у поведінці структур, що формуються.

Експериментально підтверджено, деякі зв'язувальні ланки можуть надавати молекулярним комплексам складні регуляторні функції, до самоингибирования. Використовуючи отримані дані та математичні моделі, вчені пояснили, чому невеликі варіації довжини зв'язків кардинально змінюють динамічні характеристики ансамблів.

Результати дослідження відкривають нові можливості для розробки більш програмованих наномашин або наносистем з оптимально регульованою активністю, що вже знаходить застосування в біосенсингу та доставці ліків, пропонуючи нові стратегії створення наступного покоління динамічних наносистем.