Als de komst van computers het informatietijdperk lanceerde, het vermogen om kleine machines van moleculen te maken, zou de komende decennia kunnen bepalen.

Als bewijs van de snelle opmars van nanotechnologie, de 2016 Nobelprijs voor Scheikunde werd toegekend aan wetenschappers die 's werelds eerste synthetische moleculaire machines hebben gebouwd door afzonderlijke moleculen in elkaar te grijpen in apparaten die in staat zijn tot mechanische beweging.

Nutsvoorzieningen, een ontdekking door wetenschappers van Princeton University, meldde 2 augustus in de Tijdschrift van de American Chemical Society , toont aan dat mensen niet het monopolie hebben op het bouwen van 's werelds kleinste machines. De Princeton-onderzoekers vonden een lasso-vormig bacteriemolecuul dat zijn configuratie kan veranderen wanneer het wordt blootgesteld aan hitte. een vormveranderend vermogen vergelijkbaar met dat van bepaalde synthetische moleculaire machines. De lasso is een soort moleculaire keten die bekend staat als een peptide.

"De ontdekking van dit lasso-peptide, die we benenodin-1 noemden, toont aan dat we bij het ontwikkelen van moleculaire apparaten zowel naar biologie als naar engineering van bronmateriaal kunnen kijken, " zei A. James Link, een universitair hoofddocent chemische en biologische technologie aan Princeton, die de hoofdauteur van het papier was.

Hoewel de aanvragen nog grotendeels speculatief zijn, de potentiële toepassingen voor moleculaire machines zijn enorm, alles van microrobots die medicijnen in het menselijk lichaam afleveren tot nieuwe soorten materialen die zich in realtime aanpassen aan omgevingsveranderingen zoals schommelingen in warmte, licht of vocht.

De eerste grote vorderingen bij het bouwen van moleculaire machines kwamen in de jaren tachtig, toen scheikundige Jean-Pierre Sauvage in staat was mechanisch verbonden moleculen te bouwen door twee moleculaire ringen met elkaar te verbinden. Dit in tegenstelling tot de klassieke techniek van het verbinden van moleculen door middel van covalente bindingen, een chemische binding waarin moleculen zich vastmaken door elektronen te delen.

In het begin van de jaren negentig, een andere wetenschapper, Fraser Stoddart, een nieuwe structuur gecreëerd, een rotaxaan genoemd, door een moleculaire staaf door een ring van moleculen te rijgen en op zijn plaats te houden. De ring kan op en neer langs de staaf bewegen, maar zou er niet af vallen dankzij de stoppers die Stoddart aan elk uiteinde van de hengel had toegevoegd. Sinds hun komst, rotaxanen zijn gebruikt om een ​​lift op nanoschaal te creëren, een kunstmatige spier en zelfs een kleine computer. Sauvage en Stoddart deelden de Nobelprijs voor Scheikunde 2016 met een andere wetenschapper, Bernard Feringa, die moleculaire motoren bouwde, waaronder een die een kleine glazen staaf van 10 kon draaien, 000 groter dan de machine zelf.

Terwijl de moleculaire machines gebouwd door Sauvage, Stoddart en Feringa werden gesynthetiseerd in laboratoria, Link en zijn Princeton-collega's hebben naar de natuur gekeken voor inspiratie voor nano-engineering.

Het team van Link heeft methoden ontwikkeld om de DNA-sequenties van organismen te doorzoeken op bewijs dat ze peptiden kunnen produceren. Net als hun grotere neven, eiwitten, peptiden zijn ketens van gekoppelde aminozuren.

Vooral, Link heeft zich gericht op het ontdekken van lasso-peptiden, een klasse van moleculen die zich onderscheiden door een slip-knoopachtige vorm, waar een lange "staart"-sectie van het molecuul door een "ring"-sectie steekt. De naam voor deze klasse van peptiden komt voort uit de overeenkomst in hun structuur en die van lasso-knopen die worden gebruikt in cowboy-lasso's. Hun structuur maakt lasso-peptiden zeer stabiel, een belangrijk biologisch kenmerk. Bij elkaar gehouden door mechanische bindingen, de lasso-peptiden lijken ook op Stoddart's ring-en-staaf rotaxaanstructuren, en worden daarom geclassificeerd als rotaxanen.

Sommige lasso-peptiden hebben antimicrobiële eigenschappen en kunnen een nieuw type antibiotica zijn, een gebied dat Link's laboratorium onderzoekt. De rotaxaanstructuur van de peptiden maakt ze ook mogelijke kandidaten voor het bouwen van moleculaire machines.

Het Princeton-team ontdekte het lasso-peptide benenodin-1 tijdens het verkennen van het DNA van Asticcacaulis benevestitus, een bodemproteobacterie uit het Russische Oeralgebergte. Bij blootstelling aan hitte, veel natuurlijk voorkomende lasso-peptiden raken los, waarbij het staartgedeelte van het molecuul uit de ring glijdt. Toen de Princeton-onderzoekers benenodin-1 blootstelden aan hitte, ze waren verrast toen ze ontdekten dat het molecuul van vorm veranderde, maar handhaafde zijn slip-knoop bevestiging.

"Dit vermogen om van vorm te veranderen zonder het los te maken is intrigerend, "zei Link. "Beide conformaties behouden de rotaxaanstructuur, waardoor het het eerste voorbeeld is van een schakelbare, mechanisch met elkaar verbonden molecuul dat in de natuur voorkomt."

"Het roept vragen op of er een evolutionaire verklaring is voor dit gedrag en of er in de natuur nog andere van dergelijke schakelende moleculen bestaan, " hij zei.

Link en zijn collega's vonden ook andere intrigerende veranderingen in het chemische gedrag van benenodin-1 die werden veroorzaakt door hitte. Voor blootstelling aan hitte, het lasso-peptide kan worden gehakt door een enzym genaamd benenodin-1 isopeptidase. Maar na verhitting veranderde het lasso-peptide in zijn nieuwe configuratie, het werd niet langer beïnvloed door het enzym.

Link zei dat dit verschil in hoe het enzym functioneert onder verschillende temperaturen zich zou kunnen vertalen in veranderingen in de biologische functie, een fenomeen dat een rol zou kunnen spelen in de invloed van klimaatverandering op microbiële gemeenschappen in de bodem.

Het Princeton-team is van plan te onderzoeken of de schakeleigenschap van benenodin-1 kan worden gebruikt in praktische toepassingen, zoals het binden van metaalverontreinigende stoffen om te helpen bij het opruimen van het milieu.

Het peptide zou ook een natuurlijke bron kunnen zijn voor de bouwstenen van nanostructuren waarin twee moleculaire ringen fysiek in een lus zijn opgenomen. Onderzoekers onderzoeken of deze nanostructuren kunnen worden gebruikt voor het bouwen van moleculaire elektronische apparaten en sensoren. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt als thermische sensoren die aangeven wanneer een pakket thermisch gevoelige materialen zoals medicijnen is blootgesteld aan hitte.

"De ontdekking van deze natuurlijke schakeleigenschap in een lasso-peptide opent veel nieuwe wegen voor onderzoek, van het onderzoeken van de evolutie van peptiden en enzymen, tot het gebruik van natuurlijke producten in nanotechnologie, ' zei Link.