Как могли эволюционировать молекулярные системы в начале жизни: Восход наномашин

Учёные из Университета Монреаля считают, что, соединяя молекулы вместе, они обнаружили, как молекулярные системы в начале жизни эволюционировали для создания сложных саморегулирующихся функций.

Их выводы, опубликованные в Angewandte Chemie, обещают предоставить химикам и нанотехнологам простую стратегию для создания нового поколения динамических наносистем.

Жизнь на Земле поддерживается миллионами различных крошечных наноструктур или наномашин, которые эволюционировали миллионы лет. Эти структуры, часто меньше диаметра человеческого волоса в 10 000 раз, обычно состоят из белков или нуклеиновых кислот. Некоторые сделаны из одного компонента, но большинство используют несколько компонентов, которые спонтанно собираются в большие динамические ансамбли.

Реакция на стимулы

Эти молекулярные ансамбли высокодинамичны и точно активируются или деактивируются в ответ на различные стимулы, такие как изменение температуры, кислорода или питательных веществ. Для выполнения конкретных задач молекулярным системам требуется последовательная активация или деактивация различных наномашин.

Исследователи задались фундаментальным вопросом: как были созданы, запрограммированы и настроены динамические молекулярные ансамбли для поддержания жизни?

Они обнаружили, что многие биологические ансамбли, вероятно, образовались путём случайного присоединения взаимодействующих молекул (например, белков или нуклеиновых кислот, таких как ДНК или РНК) с помощью линкеров, действующих как "соединитель" между каждой частью.

Изучение влияния связности

Чтобы исследовать этот вопрос, докторант Доминик Лозон синтезировал и соединил вместе десятки взаимодействующих молекул ДНК, чтобы изучить влияние связности на динамику сборки.

Лозон и руководитель исследования Алексис Валле-Белиль обнаружили, что простое изменение длины "линкера" между взаимодействующими молекулами приводит к значительным вариациям в динамике их сборки. Например, одни ансамбли проявляли высокую чувствительность к изменению стимула, другие — нет, а некоторым требовались гораздо большие изменения стимула для запуска сборки.

Более удивительно, что некоторые линкеры даже создавали новые сложные регуляторные функции, такие как свойства самоингибирования, когда добавление стимула одновременно способствовало и сборке, и разборке ансамбля. Все эти различные типы ответного поведения часто наблюдаются и в естественных "живых" наномашинах.

С помощью экспериментов и математических уравнений исследователи также смогли объяснить, почему такое простое изменение длины линкера так эффективно меняет динамику молекулярной сборки.

"Линкеры, создающие наиболее стабильные ансамбли, также создавали наиболее чувствительные механизмы активации, в то время как линкеры, создающие менее стабильные ансамбли, создавали менее чувствительные механизмы активации, вплоть до введения самоингибирования", — объяснил Лозон.

Значение для нанотехнологий и эволюции

Способность точно чувствовать молекулярные сигналы критически важна как для биологических ансамблей, так и для развития нанотехнологий. Открытие может предоставить фундаментальную основу для создания более программируемых наномашин или наносистем с оптимально регулируемой активностью — например, путём простого соединения взаимодействующих молекул линкерами разной длины. Такие молекулярные ансамбли уже находят применение в биосенсорике или доставке лекарств.

Кроме того, открытие проливает свет на то, как естественные биомолекулярные ансамбли могли приобрести свою оптимальную динамику.

"Одна из известных стратегий молекулярной эволюции живых организмов — слияние генов, когда ДНК, кодирующая два взаимодействующих белковых домена, случайным образом сливается", — сказал Валле-Белиль. "Наши результаты также дают фундаментальное понимание того, как простое изменение длины линкера между слившимися белками могло эффективно создать биологические ансамбли с разнообразной динамикой, некоторые из которых лучше подходили для предоставления преимущества живым организмам".