Interfaceflexibiliteit: wetenschappers ontdekken het sleutelmechanisme dat de vorming van moleculaire netwerk stimuleert

Covalente binding is een algemeen begrepen fenomeen dat de atomen van een molecuul verbindt door een gedeeld elektronenpaar. Maar in de natuur kunnen patronen van moleculen ook worden verbonden door zwakkere, meer dynamische krachten die aanleiding geven tot supramoleculaire netwerken. Deze kunnen zelf assembleren vanuit een initiële moleculair cluster of kristal en uitgroeien tot grote, stabiele architecturen.

Supramoleculaire netwerken zijn essentieel voor het handhaven van de structuur en functie van biologische systemen. Bijvoorbeeld, om “te eten”, vertrouwen cellen op hexagonale supramoleculaire netwerken die zelf assembleren uit eenheden van het driearmige eiwitclathrin. Clathrin -netwerken vormen bubbels rond voedingsstoffen om ze in de cel te brengen. Evenzo vormt een eiwit genaamd TRIM5a een zeshoekig rooster dat zich rond HIV -virussen vormt, waardoor hun replicatie wordt verstoord.

“Deze hexagonale netwerkstructuur is alomtegenwoordig van aard – je kunt het zelfs op het macroschaal in bijenkorven zien,” legt MAARTJE BASTINGS, hoofd van het programmeerbare biomaterialenlab (PBL) uit in EPFL’s School of Engineering.

Voor hun nieuwste studie gepubliceerd in Natuurchemiede onderzoekers van de PBL en het laboratorium voor bio- en nano-instrumentatie (LBNI), geleid door Georg Fantner, gebruikten nanoengineerte DNA-strengen in een driepuntsstersvorm om de verschillende factoren te isoleren en de verschillende factoren die kristallijn supramoleculaire netwerkvorming besturen.

In het proces ontdekten ze een “definiërende parameter” nog belangrijker dan chemische bindingssterkte of aantal.

‘Interfaceflexibiliteit zal altijd winnen’

Net als menselijk DNA varieerde de samenstelling van de driepunts-ster-DNA-moleculen door hun sequenties van nucleotiden, die hun interactiesterkte (affiniteit) met aangrenzende moleculen beïnvloedden. Maar voor deze studie introduceerden de onderzoekers een extra variabele: door genuanceerde veranderingen in de lengte van de strengen die elk van de drie armen van de monomeren vormen, konden ze de lokale en wereldwijde flexibiliteit van de armen moduleren.

Met behulp van high-speed atomaire krachtmicroscopie merkte het team op dat de DNA-sterren met kortere, stijve “armen” georganiseerd in stabiele zeshoekige netwerken, terwijl die met langere, meer flexibele armen niet in staat waren om grote netwerken te vormen.

Simulaties onthulden dat de korte armen bijna vier keer meer kans hadden om in een parallelle vorm te worden gerangschikt die meer bevorderlijker was voor verbinden met andere moleculen, terwijl de langere armen de neiging hadden om te ver uit elkaar te spreiden om stabiele verbindingen te creëren. De onderzoekers noemden deze variatie -interfaceflexibiliteit.

“De interface waar twee moleculen samenkomen, moet star zijn; als men flexibel is, is er een lagere kans dat de moleculen verbonden blijven. Bindende sterkte is niet belangrijk – interface -flexibiliteit zal altijd winnen. Dit druist tegen wat tot nu toe is begrepen,” Bastings zegt.

Interessant is dat de onderzoekers ook aantoonden dat interfaceflexibiliteit kan worden verfijnd: in flexibele moleculen konden ze de lokale stijfheid herstellen op de bindende interface voldoende om de netwerkgroei te ondersteunen, met behoud van de totale grotere omvang van de moleculen.

“Dit betekent dat zelfs wereldwijd flexibele monomeren nog steeds kunnen uitgroeien tot netwerken als de interfaceflexibiliteit op het punt van binding wordt geregeld,” vat Bastings samen.

Bouwen of vernietigen

Bastings zegt dat dit werk zou kunnen veranderen hoe wetenschappers eiwitten en andere moleculen voor zelfassemblage ontwerpen en nieuwe kansen creëren voor cellulaire nanotherapieën.

Gerichte benaderingen kunnen zich richten op stijfheid bij het ontwerpen van nieuwe supramoleculaire netwerken van eiwitten, bijvoorbeeld; of bij het induceren van flexibiliteit voor de strategische afbraak of preventie van ongewenste netwerken, zoals amyloïde plaques die worden gezien in relatie tot de ziekte van Alzheimer. Ze voorziet ook op applicaties in spintronics, waar het zelfassemblage van goed gedefinieerde nanoschaalnetwerken zou kunnen helpen bij het bouwen van de volgende generatie elektronica.

Ze vermeldt de prestatie aan het initiatief van de studenten in haar lab en medewerkers van de LBNI. En ze vergeet niet de nodige erkenning te geven aan het bescheiden DNA -molecuul.

“Vooruitgang in interdisciplinaire DNA -nanotechnologie, en in de controle van eigenschappen op atomair niveau, hebben het mogelijk gemaakt om DNA uit de genomische context te halen en te transformeren in een werkpaard voor het ontdekken van wereldwijde fysieke interacties – zoals interfaceflexibiliteit.”