Химики создают наномашины, разбирая их на части
Исследователи из Канады обнаружили, что «разрушение» молекулярных наномашин, лежащих в основе жизни, может привести к созданию новых, работающих ещё лучше. Результаты опубликованы в Nature Chemistry.
Наномашины жизни
Жизнь на Земле обеспечивают десятки тысяч наномашин, эволюционировавших миллионы лет. Часто состоящие из белков или нуклеиновых кислот, они содержат тысячи атомов и меньше человеческого волоса в 10 000 раз.
«Эти наномашины контролируют всю молекулярную активность в нашем теле, а проблемы с их регуляцией или структурой лежат в основе большинства человеческих болезней», — говорит ведущий автор исследования Алексис Валле-Белиль, профессор химии Университета Монреаля.
Деструктивная идея
Чтобы исследовать, как лучше создавать наномашины — из одного или нескольких самособирающихся компонентов, — аспирант Доминик Лозон предложил «разрушить» некоторые из них, чтобы посмотреть, можно ли их собрать заново. Для этого он создал искусственные наномашины на основе ДНК, которые можно было «уничтожить», разобрав на части.
«ДНК — замечательная молекула, предлагающая простую, программируемую и удобную химию. Мы полагали, что наномашины на основе ДНК помогут ответить на фундаментальные вопросы о создании и эволюции природных и искусственных наномашин», — пояснил Лозон.
Новые функции через разрушение
Эксперименты показали, что наномашины могут выдерживать фрагментацию. Более того, такое разрушение позволило создать различные новые функциональности, включая разный уровень чувствительности к изменению концентрации компонентов, температуры и мутациям.
Эти функции можно было получить, просто контролируя концентрацию каждого отдельного компонента. Например, при разделении наномашины на три компонента, её активация становилась более чувствительной при высокой концентрации компонентов. При низкой же концентрации наномашины можно было запрограммировать на активацию или деактивацию в определённый момент времени или просто подавить их функцию.
«В целом, эти новые функции были созданы простым разрезанием или разрушением структуры существующей наномашины. Они могут кардинально улучшить созданные человеком нанотехнологии, такие как сенсоры, носители лекарств и даже молекулярные компьютеры», — отметил Лозон.
Эволюция через разборку
В отличие от обычных машин (телефонов, телевизоров), которые собираются с помощью винтов, клея или пайки, наномашины полагаются на тысячи слабых динамических межмолекулярных сил, способных спонтанно восстанавливаться, что позволяет сломанным наномашинам собираться заново.
Результаты работы не только дают исследователям простую стратегию дизайна для создания следующего поколения наномашин, но и проливают свет на возможную эволюцию природных молекулярных наномашин.
«Биологи недавно обнаружили, что около 20% биологических наномашин могли эволюционировать через фрагментацию своих генов. Наши результаты дают биологам рациональную основу для понимания того, как фрагментация этих древних белков могла создать новые молекулярные функции для жизни на Земле», — заключил Валле-Белиль.