De synthese en zelforganisatie van biologische macromoleculen is essentieel voor het leven op aarde. Chemici van de Ludwig Maximilian Universiteit van München rapporteren nu de spontane opkomst van complexe ringvormige macromoleculen met een lage mate van symmetrie in het laboratorium.

monomeren, moleculen die zijn opgebouwd uit meerdere herhalende subeenheden die al dan niet kunnen variëren in hun chemische structuur, worden geclassificeerd als macromoleculen of polymeren. Voorbeelden zijn er in de natuur, inclusief eiwitten en nucleïnezuren, die de kern vormen van alle biologische systemen. Eiwitten vormen niet alleen de basis van structurele elementen in cellen, ze dienen ook als enzymen - die in wezen alle talloze chemische transformaties katalyseren die plaatsvinden in levende systemen.

In tegenstelling tot, nucleïnezuren zoals DNA en RNA dienen als informatieve macromoleculen. DNA slaat de genetische informatie van de cel op, die selectief wordt gekopieerd naar RNA-moleculen die de blauwdrukken vormen voor de synthese van eiwitten. In aanvulling, lange ketens bestaande uit suikereenheden zorgen voor energiereserves in de vorm van glycogeen, dat wordt opgeslagen in de lever en de spieren. Deze diverse klassen van polymere moleculen hebben allemaal één kenmerk gemeen:ze vouwen spontaan in karakteristieke ruimtelijke conformaties, bijvoorbeeld de beroemde dubbele DNA-helix, die in de meeste gevallen essentieel zijn voor hun biochemische functies.

Professor Ivan Huc (Departement Farmacie, LMU) bestudeert aspecten van de zelforganisatieprocessen die macromoleculen in staat stellen om gedefinieerde gevouwen vormen aan te nemen. De moleculaire structuren die in de natuur worden gevonden, verschaffen hem modellen, wiens eigenschappen hij in het laboratorium probeert te reproduceren met niet-natuurlijke moleculen die geen eiwitten zijn, nucleïnezuren of suikerachtig. Specifieker, hij gebruikt de instrumenten van de synthetische chemie om de onderliggende principes van zelforganisatie op te helderen - door moleculen te construeren die uitdrukkelijk zijn ontworpen om in vooraf bepaalde vormen te vouwen. Beginnend met monomeren die zijn groep heeft ontwikkeld, gaat hij produceren wat hij 'foldamers' noemt, " door de monomeren één voor één samen te voegen om een ​​gevouwen macromolecuul te genereren.

Structuren met een lage mate van symmetrie

"De normale manier om de complexe structuur van eiwitten te krijgen, is door verschillende soorten monomeren te gebruiken, aminozuren genoemd, " zoals Huc meldt. "En de normale methode om verschillende aminozuren in de juiste volgorde te verbinden, is ze één voor één te koppelen." De volgorde van aminozuren bevat de vouwinformatie waardoor verschillende eiwitsequenties op verschillende manieren kunnen worden gevouwen.

"Maar we ontdekten iets onverwachts en spectaculairs, " zegt Huc. Hij en zijn collega's in München, Groningen, Bordeaux en Berlijn gebruikten biologische, zwavelhoudende monomeren om spontaan cyclische macromoleculen met een complexe vorm te krijgen, zoals geïllustreerd door hun lage mate van symmetrie, zonder een specifieke volgorde te vereisen. De macromoleculen synthetiseren zichzelf - er zijn geen verdere voorwaarden nodig. "We doen maar één monomeertype in een kolf en wachten, " zegt Huc. "Dit is typisch voor een polymerisatiereactie, maar polymeren uit een enkel monomeer nemen meestal geen complexe vormen aan en stoppen niet met groeien bij een precieze ketenlengte."

Om de reactie verder te beheersen, de wetenschappers gebruikten ook een klein gastmolecuul of een metaalion. De regulator bindt zich in het groeiende macromolecuul en zorgt ervoor dat monomeren zich eromheen rangschikken. Door een regelaar te kiezen met de juiste eigenschappen, de auteurs van de nieuwe studie waren in staat om structuren te produceren met een vooraf bepaald aantal subeenheden. De cyclische macromoleculen vertoonden lage niveaus van symmetrie. Sommige bestonden uit ofwel 13, 17 of 23 subeenheden. Sinds 13, 17 en 23 zijn priemgetallen, de overeenkomstige gevouwen vormen vertonen een lage mate van symmetrie.

Een model voor biologische en industriële processen

De belangstelling voor de opheldering van dergelijke mechanismen beperkt zich niet tot het domein van fundamenteel onderzoek. Huc en zijn collega's hopen dat hun aanpak zal leiden tot de fabricage van designerplastics. Conventionele polymeren bestaan ​​meestal uit mengsels van moleculen die variëren in lengte (d.w.z. het aantal monomeren dat ze bevatten). Deze heterogeniteit heeft een impact op hun fysieke eigenschappen. Vandaar, het vermogen om polymeerketens met een exacte lengte en/of geometrie te synthetiseren zal naar verwachting leiden tot materialen met nieuw en interessant gedrag.

Verder, Foldamers zoals die die nu zijn gesynthetiseerd vertonen nauwe structurele overeenkomsten met biopolymeren. Ze bieden daarom een ​​ideaal modelsysteem om de eigenschappen van eiwitten te bestuderen. Elk eiwit is opgebouwd uit een gedefinieerde lineaire (d.w.z. onvertakte) sequentie van aminozuren, die zijn 'primaire structuur' vormt. Maar de meeste aminozuurketens vouwen in lokale substructuren zoals spiraalvormig opgerolde stukken, of parallelle strengen die vellen kunnen vormen. Deze eenheden vertegenwoordigen de secundaire structuur van het eiwit. De term 'tertiaire structuur' wordt toegepast op de volledig gevouwen enkele ketting. Dit kan op zijn beurt interageren met andere ketens om een ​​functionele eenheid of quaternaire structuur te vormen.

Het uiteindelijke doel van Huc is om complexe biologische mechanismen na te bootsen met behulp van structureel gedefinieerde, synthetische voorlopers. Hij wil begrijpen hoe, bijvoorbeeld, enzymen vouwen in de juiste, biologisch actieve conformatie na hun synthese in cellen. Moleculen waarvan de eigenschappen in het laboratorium nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd, bieden ideale modellen om de antwoorden uit te werken en misschien verder te gaan dan enzymen zelf.

De studie is gepubliceerd in Natuurchemie .