Два молекулярных языка происхождения жизни были успешно воссозданы и математически подтверждены благодаря новаторской работе канадских ученых из Университета Монреаля.

Исследование «Программирование химической коммуникации : аллостерия против мультивалентного механизма», опубликованное 15 августа 2023 года в Журнале Американского химического общества, открывает новые возможности для развития нанотехнологий с приложениями, варьирующимися от биозондирования, доставки лекарств и молекулярной визуализации.

Живые организмы состоят из миллиардов наномашин и наноструктур, которые взаимодействуют друг с другом для создания сущностей более высокого порядка, способных делать множество важных вещей, таких как движение, мышление, выживание и размножение.

«Ключ к возникновению жизни зависит от развития молекулярных языков — также называемых сигнальными механизмами — которые гарантируют, что все молекулы в живых организмах работают вместе для достижения конкретных задач », — сказал главный исследователь исследования, профессор биоинженерии UdeM Алексис Валле-Белиль.

У дрожжей, например, при обнаружении и связывании феромона спаривания миллиарды молекул будут взаимодействовать и координировать свою деятельность, чтобы инициировать союз, сказал Валле-Белиль, владелец Канадской исследовательской кафедры биоинженерии и бионанотехнологии.

«Поскольку мы вступаем в эру нанотехнологий, многие ученые считают, что ключ к разработке и программированию более сложных и полезных искусственных наносистем зависит от нашей способности понимать и лучше использовать молекулярные языки, разработанные живыми организмами», — сказал он.

Два типа языков

Одним из хорошо известных молекулярных языков является аллостерия. Механизм этого языка — «замок и ключ»: молекула связывает и модифицирует структуру другой молекулы, направляя ее на запуск или торможение активности.

Другой, менее известный молекулярный язык — поливалентность, также известная как хелатный эффект. Это работает как головоломка: когда одна молекула связывается с другой, она облегчает (или нет) связывание третьей молекулы, просто увеличивая поверхность ее связывания.

Хотя эти два языка наблюдаются во всех молекулярных системах всех живых организмов, только недавно ученые начали понимать их правила и принципы и поэтому используют эти языки для разработки и программирования новых искусственных нанотехнологий.

«Учитывая сложность естественных наносистем, до сих пор никто не мог сравнить основные правила, преимущества или ограничения этих двух языков в одной и той же системе», — сказал Валле-Белиль.

Для этого его докторант Доминик Лаузон, первый автор исследования, придумал создать молекулярную систему на основе ДНК, которая могла бы функционировать с использованием обоих языков. «ДНК похожа на кубики Lego для наноинженеров», — сказал Лаузон. «Это замечательная молекула, предлагающая простую, программируемую и легкую в использовании химию».

Простые математические уравнения для обнаружения антител

Исследователи обнаружили, что простые математические уравнения вполне могут описать оба языка, что позволило раскрыть параметры и правила проектирования для программирования связи между молекулами в наносистеме.

Например, в то время как многовалентный язык позволял контролировать как чувствительность, так и кооперативность активации или дезактивации молекул , соответствующий аллостерический перевод позволял контролировать только чувствительность ответа.

Имея это новое понимание, исследователи использовали язык поливалентности для разработки и разработки 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-Белиль.

В дополнение к расширению набора синтетических инструментов для создания следующего поколения нанотехнологий, открытие ученого также проливает свет на то, почему некоторые естественные наносистемы могли предпочесть один язык другому для передачи химической информации.