Hoe moleculaire systemen aan de oorsprong van het leven mogelijk zijn geëvolueerd: de opkomst van de nanomachines

Door moleculen aan elkaar te koppelen denken wetenschappers van de Université de Montréal te hebben ontdekt hoe moleculaire systemen aan de oorsprong van het leven zijn geëvolueerd om complexe zelfregulerende functies te creëren.

Gepubliceerd in Angewandte Chemiebeloven hun bevindingen scheikundigen en nanotechnologen een eenvoudige strategie te bieden om de volgende generatie dynamische nanosystemen te creëren.

Het leven op aarde wordt in stand gehouden door miljoenen verschillende kleine nanostructuren of nanomachines die zich in de loop van miljoenen jaren hebben ontwikkeld, legt Alexis Vallée-Bélisle, UdeM-professor en hoofdonderzoeker van het onderzoek, uit.

Deze structuren, vaak kleiner dan 10.000 keer de diameter van een mensenhaar, zijn doorgaans samengesteld uit eiwitten of nucleïnezuren. Hoewel sommige zijn gemaakt uit één enkele component of onderdeel (vaak lineaire polymeren die in een specifieke structuur vouwen), zijn de meeste gemaakt met behulp van verschillende componenten die spontaan worden samengevoegd tot grote en dynamische assemblages.

Reageren op prikkels

“Deze moleculaire assemblages zijn zeer dynamisch en worden precies geactiveerd of gedeactiveerd als reactie op verschillende stimuli, zoals een variatie in temperatuur, zuurstof of voedingsstoffen”, zegt Vallée-Bélisle.

“Net als bij auto’s die sequentiële ontsteking, remontgrendeling, schakelen en gastoevoer nodig hebben om vooruit te komen, vereisen moleculaire systemen de sequentiële activering of deactivering van verschillende nanomachines om specifieke taken uit te voeren, variërend van bewegen, ademen tot denken.”

De onderzoekers wierpen een fundamentele vraag op: hoe zijn dynamische moleculaire assemblages gecreëerd, geprogrammeerd en verfijnd om het leven te ondersteunen?

Wat ze ontdekten is dat veel biologische assemblages waarschijnlijk werden gevormd door het willekeurig aan elkaar koppelen van op elkaar inwerkende moleculen (bijvoorbeeld eiwitten of nucleïnezuren zoals DNA of RNA) met linkers die als een “connector” tussen elk onderdeel fungeerden.

“Aangezien deze biomoleculaire assemblages een cruciale rol spelen bij het mogelijk maken van levende organismen om op hun omgeving te reageren, hebben we de hypothese geopperd dat de aard van de connectiviteit tussen de aangesloten componenten ook kan bijdragen aan de evolutie van hun dynamische reacties”, zegt Vallée-Bélisle, houder van de Canada Research Chair in Bioengineering en Bio-Nanotechnologie.

Onderzoek naar de impact van connectiviteit

Om deze vraag te onderzoeken besloot Dominic Lauzon, een promovendus ten tijde van het onderzoek, tientallen DNA-interagerende moleculen te synthetiseren en aan elkaar te koppelen om de impact van connectiviteit op de dynamiek van assemblage te onderzoeken.

“De programmeerbare, eenvoudig te gebruiken chemie van nucleïnezuren zoals DNA maakt het een handig molecuul om fundamentele vragen met betrekking tot de evolutie van biomoleculen te bestuderen”, zegt Lauzon, de eerste auteur van het onderzoek. “Bovendien wordt ook gedacht dat nucleïnezuren het molecuul zijn dat aan de oorsprong ligt van het leven op aarde.”

Lauzon en Vallée-Bélisle ontdekten dat een eenvoudige variatie in de lengte van de “linker” tussen de op elkaar inwerkende moleculen leidt tot significante variaties in de dynamiek van hun assemblage. Bepaalde bijeenkomsten vertoonden bijvoorbeeld een hoge gevoeligheid voor variatie in stimuli, terwijl andere een dergelijke gevoeligheid ontbeerden, of zelfs veel grotere veranderingen in stimuli vereisten om de bijeenkomst te bevorderen.

Verrassender is dat sommige linkers zelfs nieuwe complexe regulerende functies creëerden, zoals zelfremmende eigenschappen, waarbij de toevoeging van een stimulus zowel de assemblage als de demontage ervan zou bevorderen. Al deze verschillende responsieve gedragingen worden ook vaak waargenomen in natuurlijke ‘levende’ nanomachines.

Met behulp van experimenten en wiskundige vergelijkingen konden de onderzoekers ook verklaren waarom een ​​dergelijke eenvoudige variatie in de lengte van de linker zo efficiënt was in het wijzigen van de dynamiek van de moleculaire assemblage.

“De linkers die de meest stabiele assemblages creëerden, waren degenen die ook de meest gevoelige activeringsmechanismen creëerden, terwijl de linkers die de minder stabiele assemblages creëerden de minder gevoelige activeringsmechanismen creëerden, zelfs tot het punt dat ze zelfremming introduceerden”, legt Lauzon uit.

Sensatie is cruciaal

Het vermogen om moleculaire signalen nauwkeurig waar te nemen is cruciaal voor biologische assemblages, maar ook voor de ontwikkeling van nanotechnologie die afhankelijk is van de detectie en integratie van moleculaire informatie.

De onderzoekers geloven daarom dat hun ontdekking ook het fundamentele raamwerk kan bieden om meer programmeerbare nanomachines of nanosystemen met optimaal gereguleerde activiteiten te creëren, bijvoorbeeld door simpelweg op elkaar inwerkende moleculen met verschillende linkers te verbinden. Dergelijke moleculaire assemblages vinden al toepassingen in biosensoren of medicijnafgifte.

Naast het bieden van een eenvoudige ontwerpstrategie om de volgende generatie zelfregulerende nanosystemen te creëren, werpen de ontdekkingen van de wetenschappers ook licht op hoe natuurlijke biomoleculaire assemblages hun optimale dynamiek kunnen hebben verkregen.

“Een bekende moleculaire evolutiestrategie van levende organismen is genfusie, waarbij het DNA dat codeert voor twee op elkaar inwerkende eiwitdomeinen willekeurig wordt gefuseerd”, zegt Vallée-Bélisle.

“Onze bevindingen bieden ook het fundamentele begrip dat nodig is om te begrijpen hoe een eenvoudige variatie in de linkerlengte tussen de gefuseerde eiwitten op efficiënte wijze biologische assemblages kan hebben gecreëerd die een verscheidenheid aan dynamieken vertonen, waarvan sommige beter geschikt zijn dan andere om levende organismen een voordeel te bieden.”