Twee moleculaire talen die aan de oorsprong van het leven lagen, zijn met succes nagebootst en wiskundig gevalideerd, dankzij baanbrekend werk van Canadese wetenschappers aan de Université de Montréal.

De studie 'Programming Chemical Communication:allostery vs. multivalent mechanism', gepubliceerd op 15 augustus 2023 in het Journal of the American Chemical Society , opent nieuwe deuren voor de ontwikkeling van nanotechnologieën met toepassingen variërend van biosensoren, medicijnafgifte en moleculaire beeldvorming.

Levende organismen bestaan ​​uit miljarden nanomachines en nanostructuren die communiceren om entiteiten van hogere orde te creëren die veel essentiële dingen kunnen doen, zoals bewegen, denken, overleven en reproduceren.

"De sleutel tot het ontstaan ​​van leven is afhankelijk van de ontwikkeling van moleculaire talen - ook wel signaalmechanismen genoemd - die ervoor zorgen dat alle moleculen in levende organismen samenwerken om specifieke taken te volbrengen", zegt de hoofdonderzoeker van het onderzoek, UdeM-professor bio-ingenieur Alexis Vallée-Bélisle.

In gisten zullen bijvoorbeeld bij het detecteren en binden van een parend feromoon miljarden moleculen communiceren en hun activiteiten coördineren om een ​​vereniging op gang te brengen, zegt Vallée-Bélisle, houder van een Canada Research Chair in Bioengineering en Bionanotechnologie.

"Nu we het tijdperk van de nanotechnologie betreden, geloven veel wetenschappers dat de sleutel tot het ontwerpen en programmeren van complexere en bruikbare kunstmatige nanosystemen afhangt van ons vermogen om moleculaire talen die door levende organismen zijn ontwikkeld, te begrijpen en beter te gebruiken," zei hij.

Twee soorten talen

Een bekende moleculaire taal is allosterie. Het mechanisme van deze taal is 'lock-and-key':een molecuul bindt en wijzigt de structuur van een ander molecuul, waardoor het een activiteit in gang zet of remt.

Een andere, minder bekende moleculaire taal is multivalentie, ook wel bekend als het chelaateffect. Het werkt als een puzzel:als het ene molecuul zich aan het andere bindt, vergemakkelijkt het de binding van een derde molecuul (of niet), door simpelweg het bindingsvlak ervan te vergroten.

Hoewel deze twee talen worden waargenomen in alle moleculaire systemen van alle levende organismen, zijn wetenschappers pas onlangs hun regels en principes gaan begrijpen – en gebruiken ze deze talen dus om nieuwe kunstmatige nanotechnologieën te ontwerpen en te programmeren.

"Gezien de complexiteit van natuurlijke nanosystemen was tot nu toe niemand in staat om de basisregels, voordelen of beperkingen van deze twee talen op hetzelfde systeem te vergelijken", aldus Vallée-Bélisle.

Om dit te doen, kwam zijn promovendus Dominic Lauzon, eerste auteur van de studie, op het idee om een ​​op DNA gebaseerd moleculair systeem te creëren dat met beide talen zou kunnen functioneren. "DNA is als Legoblokjes voor nano-ingenieurs", zei Lauzon. "Het is een opmerkelijk molecuul dat eenvoudige, programmeerbare en gebruiksvriendelijke chemie biedt."

Eenvoudige wiskundige vergelijkingen om antilichamen te detecteren

De onderzoekers ontdekten dat eenvoudige wiskundige vergelijkingen beide talen goed zouden kunnen beschrijven, waardoor de parameters en ontwerpregels werden ontrafeld om de communicatie tussen moleculen binnen een nanosysteem te programmeren.

Terwijl de multivalente taal bijvoorbeeld controle mogelijk maakte over zowel de gevoeligheid als de coöperativiteit van de activering of deactivering van de moleculen, maakte de overeenkomstige allosterische vertaling alleen controle over de gevoeligheid van de respons mogelijk.

Met dit nieuwe inzicht bij de hand gebruikten de onderzoekers de taal van multivalentie om een ​​programmeerbare antilichaamsensor te ontwerpen en te ontwikkelen die de detectie van antilichamen over verschillende concentratiebereiken mogelijk maakt.

“Zoals blijkt uit de recente pandemie is ons vermogen om de concentratie van antilichamen in de algemene bevolking nauwkeurig te monitoren een krachtig instrument om de individuele en collectieve immuniteit van mensen te bepalen”, aldus Vallée-Bélisle.

Naast het uitbreiden van de synthetische gereedschapskist om de volgende generatie nanotechnologie te creëren, werpt de ontdekking van de wetenschapper ook een licht op waarom sommige natuurlijke nanosystemen mogelijk de ene taal boven de andere hebben gekozen om chemische informatie over te brengen.

Meer informatie: Dominic Lauzon et al, Chemische communicatie programmeren:allosterie versus multivalent mechanisme, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c04045

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door Universiteit van Montreal