Расшифровка молекулярного «общения» для создания новых нанотехнологий

Канадские учёные из Университета Монреаля успешно воссоздали и математически подтвердили два молекулярных языка, лежащих в основе зарождения жизни.

Исследование «Programming chemical communication: allostery vs. multivalent mechanism», опубликованное 15 августа 2023 года в Journal of the American Chemical Society, открывает новые возможности для разработки нанотехнологий в областях биосенсорики, доставки лекарств и молекулярной визуализации.

Живые организмы состоят из миллиардов наномашин и наноструктур, которые общаются друг с другом, создавая более сложные системы, способные двигаться, мыслить, выживать и размножаться.

«Ключ к возникновению жизни — это развитие молекулярных языков, или сигнальных механизмов, которые обеспечивают совместную работу всех молекул в живых организмах для выполнения конкретных задач», — пояснил руководитель исследования, профессор биоинженерии Алексис Валле-Белиль.

Два типа языков

Один из известных молекулярных языков — аллостерия. Его механизм работает по принципу «ключа и замка»: молекула связывается и изменяет структуру другой молекулы, заставляя её активировать или подавлять определённую функцию.

Другой, менее известный язык — мультивалентность (хелатный эффект). Он работает как пазл: связывание одной молекулы облегчает (или затрудняет) связывание третьей молекулы за счёт увеличения площади взаимодействия.

Хотя оба языка наблюдаются во всех молекулярных системах живых организмов, учёные только недавно начали понимать их правила и принципы, чтобы использовать их для создания искусственных нанотехнологий.

«Из-за сложности природных наносистем до сих пор никому не удавалось сравнить базовые правила, преимущества и ограничения этих двух языков в рамках одной системы», — отметил Валле-Белиль.

Для этого его аспирант и первый автор работы Доминик Лозон создал молекулярную систему на основе ДНК, способную функционировать с использованием обоих языков. «ДНК для наноинженеров — как кубики Lego. Это удивительная молекула с простой, программируемой и удобной химией», — сказал Лозон.

Простые математические уравнения для обнаружения антител

Исследователи обнаружили, что оба языка хорошо описываются простыми математическими уравнениями, что позволило выявить параметры и правила проектирования для программирования общения между молекулами в наносистеме.

Например, в то время как язык мультивалентности позволял контролировать как чувствительность, так и кооперативность активации или деактивации молекул, соответствующий аллостерический механизм позволял контролировать только чувствительность ответа.

Используя это новое понимание, исследователи применили язык мультивалентности для разработки программируемого сенсора антител, способного обнаруживать антитела в различных диапазонах концентраций.

«Как показала недавняя пандемия, возможность точно измерять концентрацию антител в популяции — мощный инструмент для определения индивидуального и коллективного иммунитета», — сказал Валле-Белиль.

Это открытие не только расширяет инструментарий для создания следующего поколения нанотехнологий, но и проливает свет на причины, по которым одни природные наносистемы выбрали для передачи химической информации один язык, а другие — другой.