Chemici maken nanomachines door ze uit elkaar te halen

“Elke scheppingsdaad,” merkte Picasso op, “is in de eerste plaats een daad van vernietiging.”

Door dit concept letterlijk te nemen, hebben onderzoekers in Canada nu ontdekt dat het “breken” van moleculaire nanomachines die fundamenteel zijn voor het leven, nieuwe kan creëren die nog beter werken.

Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd in Natuur chemie.

Geëvolueerd gedurende miljoenen jaren

Het leven op aarde wordt mogelijk gemaakt door tienduizenden nanomachines die in de loop van miljoenen jaren zijn geëvolueerd. Ze zijn vaak gemaakt van eiwitten of nucleïnezuren, bevatten doorgaans duizenden atomen en zijn minder dan 10.000 keer zo groot als een mensenhaar.

“Deze nanomachines controleren alle moleculaire activiteiten in ons lichaam, en problemen met hun regulering of structuur zijn de oorzaak van de meeste ziekten bij de mens”, zei de hoofdonderzoeker van de nieuwe studie Alexis Vallée-Bélisle, een professor scheikunde aan de Université de Montréal.

Bij het bestuderen van de manier waarop deze nanomachines worden gebouwd, merkte Vallée-Bélisle, houder van de Canada Research Chair in Bioengineering en Bio-Nanotechnologie, op dat terwijl sommige zijn gemaakt met behulp van een enkele component of onderdeel (vaak lange biopolymeren), andere verschillende componenten gebruiken die spontaan assembleren .

“Aangezien de meeste van mijn studenten hun leven besteden aan het maken van nanomachines, begonnen we ons af te vragen of het voordeliger is om ze te maken met behulp van een of meer zelfassemblerende moleculaire componenten”, zei Vallée-Bélisle.

Een ‘destructief’ idee

Om deze vraag te onderzoeken, kwam zijn doctoraalstudent Dominic Lauzon op het ‘destructieve’ idee om enkele nanomachines uit elkaar te halen om te zien of ze weer in elkaar konden worden gezet. Om dit te doen, maakte hij kunstmatige op DNA gebaseerde nanomachines die konden worden “vernietigd” door ze uit elkaar te halen.

“DNA is een opmerkelijk molecuul dat eenvoudige, programmeerbare en gebruiksvriendelijke chemie biedt”, zegt Lauzon, de eerste auteur van het onderzoek. “We geloofden dat op DNA gebaseerde nanomachines konden helpen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over de creatie en evolutie van natuurlijke en door mensen gemaakte nanomachines.”

Lauzon en Vallée-Bélisle hebben jaren besteed aan het uitvoeren van de experimentele validaties. Ze waren in staat om aan te tonen dat nanomachines gemakkelijk fragmentatie kunnen weerstaan, maar wat nog belangrijker is, dat een dergelijke destructieve gebeurtenis de creatie van verschillende nieuwe functionaliteiten mogelijk maakte, waaronder verschillende gevoeligheidsniveaus voor variatie in componentconcentratie, temperatuur en mutaties.

Wat de onderzoekers ontdekten, is dat deze functionaliteiten eenvoudig kunnen ontstaan ​​door de concentratie van elke afzonderlijke component te regelen. Bij het snijden van een nanomachine in drie componenten, bleken nanomachines bijvoorbeeld gevoeliger te worden geactiveerd bij een hoge concentratie componenten. Daarentegen zouden nanomachines bij een lage concentratie van componenten kunnen worden geprogrammeerd om op een bepaald moment te activeren of te deactiveren of om hun functie eenvoudigweg te remmen.

“Over het algemeen zijn deze nieuwe functionaliteiten gecreëerd door simpelweg de structuur van een bestaande nanomachine te versnijden of te vernietigen, ” zei Lauzon. “Deze functionaliteiten kunnen op mensen gebaseerde nanotechnologieën zoals sensoren, medicijndragers en zelfs moleculaire computers drastisch verbeteren.”

Ontwikkelen van nieuwe functionaliteiten

Net zoals Picasso typisch tientallen onvoltooide werken vernietigde om zijn beroemde kunstwerken te maken, en net zoals spieren moeten breken om sterker te worden, en innovatieve nieuwe bedrijven worden geboren door oudere concurrenten van de markt te elimineren, kunnen machines op nanoschaal nieuwe functionaliteiten ontwikkelen door te worden genomen deel.

In tegenstelling tot gewone machines zoals mobiele telefoons, televisies en auto’s, die worden gemaakt door componenten te combineren met behulp van schroeven en bouten, lijm, soldeer of elektronica, “vertrouwen nanomachines op duizenden zwakke dynamische intermoleculaire krachten die spontaan kunnen hervormen, waardoor kapotte nanomachines weer in elkaar kunnen worden gezet. ‘, zei Vallée-Bélisle.

Naast het bieden van nanotechnologie-onderzoekers met een eenvoudige ontwerpstrategie om de volgende generatie nanomachines te creëren, werpen de bevindingen van het UdeM-team ook licht op hoe natuurlijke moleculaire nanomachines mogelijk zijn geëvolueerd.

“Biologen hebben onlangs ontdekt dat ongeveer 20 procent van de biologische nanomachines mogelijk is geëvolueerd door de fragmentatie van hun genen”, zei Vallée-Bélisle. “Met onze resultaten hebben biologen nu een rationele basis om te begrijpen hoe de fragmentatie van deze voorouderlijke eiwitten nieuwe moleculaire functionaliteiten voor het leven op aarde had kunnen creëren.”