Dva molekularna jezika u poreklu života uspešno su ponovo stvorena i matematički potvrđena, zahvaljujući pionirskom radu kanadskih naučnika na Univerzitetu u Montrealu.
Studija, „Programiranje hemijske komunikacije: alosterija naspram multivalentnog mehanizma“, objavljena 15. avgusta 2023. u časopisu Američkog hemijskog društva, otvara nova vrata za razvoj nanotehnologija sa primenama u rasponu od biosensinga, isporuke lekova i molekularnog snimanja.
Živi organizmi se sastoje od milijardi nanomašina i nanostruktura koje komuniciraju kako bi stvorile entitete višeg reda sposobne da rade mnoge suštinske stvari, kao što su kretanje, razmišljanje, preživljavanje i reprodukcija.
„Ključ za nastanak života oslanja se na razvoj molekularnih jezika — koji se takođe nazivaju signalizacijskim mehanizmima — koji osiguravaju da svi molekuli u živim organizmima rade zajedno na postizanju specifičnih zadataka“, rekao je glavni istraživač studije, profesor bioinženjeringa UdeM Aleksis Vale-Belisl.
U kvascima, na primer, nakon otkrivanja i vezivanja feromona za parenje, milijarde molekula će komunicirati i koordinirati svoje aktivnosti kako bi započele ujedinjenje, rekla je Vallee-Belisle, nosilac kanadske istraživačke katedre za bioinženjering i bionanotehnologiju.
„Kako ulazimo u eru nanotehnologije, mnogi naučnici veruju da se ključ za projektovanje i programiranje složenijih i korisnijih veštačkih nanosistema oslanja na našu sposobnost da razumemo i bolje koristimo molekularne jezike koje su razvili živi organizmi“, rekao je on.
Jedan dobro poznati molekularni jezik je alosterija. Mehanizam ovog jezika je „ključ i ključ“: molekul vezuje i modifikuje strukturu drugog molekula, usmeravajući ga da pokrene ili inhibira aktivnost.
Drugi, manje poznati molekularni jezik je multivalentnost, takođe poznata kao efekat helata. Radi kao slagalica: kako se jedan molekul vezuje za drugi, on olakšava (ili ne) vezivanje trećeg molekula jednostavnim povećanjem njegovog interfejsa vezivanja.
Iako se ova dva jezika primećuju u svim molekularnim sistemima svih živih organizama, naučnici su tek nedavno počeli da razumeju njihova pravila i principe – i tako koriste ove jezike za dizajniranje i programiranje novih veštačkih nanotehnologija.
„S obzirom na složenost prirodnih nanosistema, ranije niko nije mogao da uporedi osnovna pravila, prednosti ili ograničenja ova dva jezika na istom sistemu“, rekla je Vale-Belis.
Da bi to uradio, njegov doktorant Dominik Lauzon, prvi autor studije, imao je ideju da stvori molekularni sistem zasnovan na DNK koji bi mogao da funkcioniše koristeći oba jezika. „DNK je kao Lego kocke za nanoinženjere“, rekao je Lauzon. „To je izvanredan molekul koji nudi jednostavnu, programabilnu i laku hemiju.“
Istraživači su otkrili da jednostavne matematičke jednačine mogu dobro opisati oba jezika, što je otkrilo parametre i pravila dizajna za programiranje komunikacije između molekula unutar nanosistema.
Na primer, dok je multivalentni jezik omogućio kontrolu i osetljivosti i kooperativnosti aktivacije ili deaktivacije molekula, odgovarajući alosterični prevod je omogućio samo kontrolu osetljivosti odgovora.
Sa ovim novim razumevanjem pri ruci, istraživači su koristili jezik multivalentnosti da dizajniraju i konstruišu programabilni senzor antitela koji omogućava detekciju antitela u različitim rasponima koncentracije.
„Kao što je pokazano sa nedavnom pandemijom, naša sposobnost da precizno pratimo koncentraciju antitela u opštoj populaciji je moćno sredstvo za određivanje individualnog i kolektivnog imuniteta ljudi“, rekla je Vale-Belis.
Pored proširenja sintetičke kutije alata za stvaranje nove generacije nanotehnologije, otkriće naučnika takođe osvetljava zašto su neki prirodni nanosistemi možda izabrali jedan jezik umesto drugog za prenošenje hemijskih informacija.
