Een postdoctoraal onderzoeker met het Advanced Science Research Center van het CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) heeft een belangrijke stap gezet om te begrijpen hoe complexe mengsels van biomoleculaire bouwstenen zelfgeorganiseerde patronen vormen.

De ontdekking - gedetailleerd in een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Chem en geschreven door Ankit Jain, een lid van het laboratorium van Rein Ulijn, directeur van het CUNY ASRC Nanoscience Initiative, biedt nieuwe kennis over adaptieve biologische functies, die van cruciaal belang kunnen zijn bij het ontwerpen van nieuwe materialen en technologieën met vergelijkbare capaciteiten en attributen.

"Alle levensvormen beginnen met dezelfde geconserveerde sets bouwstenen, waaronder de 20 aminozuren waaruit eiwitten bestaan", zei Jain. "Uitzoeken hoe mengsels van deze moleculen communiceren, interageren en zelforganiserende patronen vormen, zou ons begrip vergroten van hoe biologie functionaliteit creëert. Dit begrip zou ook kunnen leiden tot volledig nieuwe manieren om materialen en technologieën te creëren die levensprocessen omvatten, zoals aanpassing, groeien, genezen en nieuwe eigenschappen ontwikkelen wanneer dat nodig is."

Jain koos voor een nieuwe, synthetische benadering om te ontdekken hoe complexe mengsels van biomoleculen op elkaar inwerken en zich collectief aanpassen aan veranderingen in hun omgeving. In plaats van te proberen de moleculaire organisatie in bestaande systemen te ontwarren, zoals die in biologische cellen worden aangetroffen, pakte hij het probleem aan in een reageerbuis door mengsels te maken met componenten die zijn ontworpen om te reageren en te interageren. Jain volgde en observeerde vervolgens de opkomst van steeds complexere patronen die de biomoleculen spontaan vormden als reactie op veranderingen in hun omgeving.

"Complexe mengsels van op elkaar inwerkende moleculen zijn fundamenteel voor levensprocessen, maar ze worden niet vaak bestudeerd in scheikundelaboratoria, omdat ze rommelig, erg ingewikkeld en moeilijk te bestuderen en te begrijpen zijn", zegt Ulijn. "Het systematisch ontwerpen van mengsels en het volgen van hun gedrag stelt ons in staat fundamentele observaties te doen over hoe mengsels van moleculen functionele collectieven worden. We waren in staat om gedetailleerd te beschrijven hoe deze chemische systemen veranderingen in externe omstandigheden absorberen om specifieke patronen van opbouw en afbraak te vormen. ontdekte dat systemen met zoveel variabelen een stochastisch gedrag vertonen, dus hoewel de algemene patroonvorming er hetzelfde uitziet bij het uitvoeren van meerdere experimenten, zijn de precieze details in twee onafhankelijke experimenten anders."

Jains experiment begon met het mengen van een aantal geselecteerde dipeptiden, minimalistische eiwitachtige verbindingen die uit twee aminozuren bestaan. Deze sets dipeptiden (ontworpen op basis van hun vermogen om te aggregeren en interactie aan te gaan) bevatten ook een katalysator die de dipeptiden in staat stelde dynamisch te recombineren en peptiden te vormen met complexere interactiepatronen. Het meest complexe systeem dat in dit artikel wordt bestudeerd, begon met 15 verschillende dipeptiden, die reversibel combineren om 225 unieke tetrapeptiden te vormen. Het was toen mogelijk voor Jain om de vorming en afbraak van peptiden van verschillende sequenties binnen de mengsels te volgen. Hij merkte op dat hun interactiepatronen sterk werden bepaald door de omgevingsomstandigheden.

Het verlichten van moleculaire zelforganisatie door middel van hiërarchische patronen van zowel covalente als niet-covalente interacties is essentieel om te begrijpen hoe biologische functies die relevant zijn voor het leven ontstaan. De nieuwe bottom-up benadering stelt onderzoekers in staat om voor het eerst de kenmerken van het ensemble te begrijpen en tegelijkertijd de moleculaire resolutie van de informatie te bieden. Het werk toont aan dat mengsels van eenvoudige moleculen spontane sequentieselectie aantonen, wat inzicht kan geven in de chemische oorsprong van de biologische functie. Over het algemeen zal het ontwerp van adaptieve systemen op basis van mengsels van meerdere componenten waarschijnlijk leiden tot de ontdekking van hoe patronen de vorming van herconfigureerbare, functionele materialen dicteren die veelbelovend zijn voor toekomstige bio-geïnspireerde technologieën. + Verder verkennen

Ontrafelen van tautomere mengsels