Ученые выяснили, как зарождались сложные системы управления в молекулах

Ученые из Университета Монреаля открыли потенциальный путь эволюции молекулярных систем, который мог способствовать возникновению сложных саморегулирующихся функций на ранних этапах жизни. Исследование, опубликованное в журнале Angewandte Chemie, предлагает химикам и нанотехнологам простую стратегию создания нового поколения динамических наносистем.

Жизнь на Земле поддерживается миллионами различных наноструктур или наномашин, которые эволюционировали на протяжении миллионов лет, - пояснил профессор Алексис Валле-Белисл, ведущий исследователь работы. Эти структуры, обычно имеющие размеры от нескольких до сотен нанометров, состоят из белков или нуклеиновых кислот. Хотя некоторые из них сформированы из одного компонента, большинство создается путём самосборки из нескольких компонентов в крупные и динамичные ансамбли.

Эти молекулярные ансамбли высокодинамичны и активируются или деактивируются в точном соответствии с различными стимулами, такими как изменения температуры, концентрации кислорода или питательных веществ, - подчеркивает Валле-Белисл. Подобно автомобилю, движение которого вперёд требует строго определённой последовательности действий, молекулярные системы нуждаются в поэтапной активации или деактивации различных «наномашин» для выполнения конкретных задач.

Основной вопрос исследования заключался в том, как были сформированы, запрограммированы и отрегулированы динамические молекулярные ансамбли, чтобы обеспечивать жизнедеятельность. Ученые выяснили, что многие биологические ансамбли, вероятно, создавались путём случайного соединения взаимодействующих молекул (таких как белки или нуклеиновые кислоты) при помощи связующих элементов, действующих как своеобразные «коннекторы» между составными частями.

Аспирант Доминик Лозон в рамках исследования синтезировал и соединил десятки взаимодействующих молекул ДНК, чтобы изучить влияние связности на динамику сборки ансамблей. Было обнаружено, что даже небольшое изменение в длине связующих элементов между молекулами приводит к существенным отличиям в поведении формируемых структур.

Экспериментально подтверждено, что некоторые связующие звенья могут придавать молекулярным комплексам сложные регуляторные функции, вплоть до самоингибирования. Используя полученные данные и математические модели, учёные объяснили, почему небольшие вариации длины связей кардинально меняют динамические характеристики ансамблей.

Результаты исследования открывают новые возможности для разработки более программируемых наномашин или наносистем с оптимально регулируемой активностью, что уже находит применение в биосенсинге и доставке лекарств, предлагая новые стратегии для создания следующего поколения динамических наносистем.