Een nieuwe vorm van moleculaire beweging: gastmoleculen gesneden door DNA -polymeerdruppeltjes in golfpatroon

Onderzoekers hebben een vorm van moleculaire beweging geïdentificeerd die niet eerder is waargenomen. Wanneer wat bekend staat “Gastmoleculen”-Moleculen die worden ondergebracht in een gastheermolecuul-penetraatdruppeltjes van DNA-polymeren, diffunderen ze niet alleen op een willekeurig manier, maar zich door hen voortplanten in de vorm van een duidelijk gedefinieerde frontale golf. Het team omvat onderzoekers van Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), het Max Planck Institute for Polymer Research en de University of Texas in Austin.

“Dit is een effect dat we helemaal niet hadden verwacht,” wijst op Weixiang Chen van de afdeling Chemie bij JGU, die een belangrijke rol speelde in de ontdekking. De bevindingen van het onderzoeksteam zijn gepubliceerd in het dagboek Natuurnanotechnologie.

De nieuwe inzichten zijn niet alleen fundamenteel voor ons begrip van hoe cellen signalen reguleren, maar ze kunnen ook bijdragen aan de ontwikkeling van intelligente biomaterialen, innovatieve soorten membranen, programmeerbare dragers van actieve ingrediënten en synthetische celsystemen die de organisatiecomplexiteit van de processen in levende wezens kunnen imiteren.

Moleculaire golfpatronen in plaats van conventionele diffusie

Het is meestal het geval dat moleculen over vloeistoffen worden verdeeld door middel van eenvoudige diffusie. Als u bijvoorbeeld een blauwe kleurstof aan een glas water toevoegt, verspreidt de kleurstof zich geleidelijk in de vloeistof en vormt het zachte, wazige kleurgradiënten. Het waargenomen gedrag van gastmoleculen in DNA -druppels is echter heel anders.

“De moleculen bewegen op een gestructureerde en gecontroleerde manier die in strijd is met de traditionele modellen, en dit neemt de vorm aan van wat een golf van moleculen of een mobiele grens lijkt te zijn,” Legt professor Andreas Walther van JGU’s Department of Chemistry, die het onderzoeksproject leidde.

Het onderzoeksteam gebruikte druppels die bestonden uit duizenden individuele DNA -strengen DNA, structuren die ook bekend staan ​​als biomoleculaire condensaten. Wat in dit verband bijzonder belang is, is het feit dat de eigenschappen van de druppeltjes nauwkeurig kunnen worden bepaald met behulp van de DNA -structuren en andere parameters, zoals de concentratie van zouten.

Bovendien hebben deze druppeltjes hun tegenhangers in biologische cellen, die in staat zijn om vergelijkbare condensaten te gebruiken om complexe biochemische processen te rangschikken zonder de noodzaak van membranen.

“Onze synthetische druppeltjes vertegenwoordigen dus een uitstekend modelsysteem waarmee we natuurlijke processen kunnen simuleren en komen om ze beter te begrijpen,” benadrukt Chen. In hun druppels hebben de onderzoekers speciaal ontworpen geïntroduceerd “gast” DNA -strengen die in staat zijn om specifiek de binnenstructuur van de druppeltjes te herkennen en eraan te binden.

Volgens het team is de intrigerende beweging van de gastmoleculen, die ze nu voor het eerst hebben gedetecteerd, gedeeltelijk toe te schrijven aan de manier waarop het toegevoegde DNA en het DNA in de druppels in de druppels worden gecombineerd op basis van het sleutelhangere principe. Dit betekent dat het omringende materiaal minder dicht wordt en niet langer op zijn plaats wordt vastgesteld, zodat gezwollen, dynamische toestanden zich lokaal ontwikkelen.

Chen voegt eraan toe, “Het goed gedefinieerde, sterk geconcentreerde front blijft in de loop van de tijd op een lineaire manier vooruitgaan, aangedreven door chemische binding, materiaalconversie en programmeerbare DNA-interacties. Iets dat helemaal nieuw is als het gaat om zachte materie.”

Nieuwe basis voor het begrijpen van mobiele processen

De bevindingen zijn niet alleen relevant om ons een beter begrip te geven van de fysica van zachte materie, maar ook voor het verbeteren van onze kennis van de chemische processen die in cellen voorkomen. “Dit kan een van de ontbrekende stukjes van de puzzel zijn die, eenmaal geassembleerd, ons zal onthullen hoe cellen signalen reguleren en processen op moleculair niveau organiseren,” Staat Walther.

Dit zou ook interessant zijn als het gaat om de behandeling van neurodegeneratieve aandoeningen waarin eiwitten migreren van celkernen naar het cytoplasma, waardoor daar condensaten worden gevormd. Als deze leeftijd transformeren ze van een dynamiek naar een stabielere toestand en bouwen ze de problematische fibrillen.

“Het is heel denkbaar dat we mogelijk een manier kunnen vinden om deze verouderingsprocessen te beïnvloeden met behulp van onze nieuwe inzichten, zodat op de lange termijn een geheel nieuwe benadering van de behandeling van neurodegeneratieve ziekten zou kunnen ontstaan,” concludeert Walther.