Ontcijferen hoe moleculen met elkaar ‘praten’ om nieuwe nanotechnologieën te ontwikkelen

Twee moleculaire talen die aan de oorsprong van het leven liggen, zijn met succes nagebootst en wiskundig gevalideerd, dankzij baanbrekend werk van Canadese wetenschappers aan de Université de Montréal.

De studie, “Programming chemical communication: allostery vs. multivalent mechanism”, gepubliceerd op 15 augustus 2023 in de Tijdschrift van de American Chemical Societyopent nieuwe deuren voor de ontwikkeling van nanotechnologieën met toepassingen variërend van biosensing, medicijnafgifte en moleculaire beeldvorming.

Levende organismen bestaan ​​uit miljarden nanomachines en nanostructuren die communiceren om entiteiten van hogere orde te creëren die in staat zijn om veel essentiële dingen te doen, zoals bewegen, denken, overleven en reproduceren.

“De sleutel tot het ontstaan ​​van leven is afhankelijk van de ontwikkeling van moleculaire talen – ook wel signaalmechanismen genoemd – die ervoor zorgen dat alle moleculen in levende organismen samenwerken om specifieke taken uit te voeren”, zei de hoofdonderzoeker van het onderzoek, UdeM bio-engineering professor Alexis Vallée-Bélisle.

In gisten, bijvoorbeeld, zullen miljarden moleculen na het detecteren en binden van een paringsferomoon communiceren en hun activiteiten coördineren om vereniging op gang te brengen, zei Vallée-Bélisle, houder van een Canada Research Chair in Bioengineering en Bionanotechnology.

“Nu we het tijdperk van nanotechnologie ingaan, geloven veel wetenschappers dat de sleutel tot het ontwerpen en programmeren van complexere en bruikbare kunstmatige nanosystemen afhangt van ons vermogen om moleculaire talen die door levende organismen zijn ontwikkeld, te begrijpen en beter te gebruiken”, zei hij.

Twee soorten talen

Een bekende moleculaire taal is allosterie. Het mechanisme van deze taal is “lock-and-key”: een molecuul bindt en wijzigt de structuur van een ander molecuul, waardoor het een activiteit activeert of remt.

Een andere, minder bekende moleculaire taal is multivalentie, ook wel bekend als het chelaateffect. Het werkt als een puzzel: wanneer het ene molecuul zich aan het andere bindt, vergemakkelijkt het (of niet) de binding van een derde molecuul door simpelweg zijn bindingsinterface te vergroten.

Hoewel deze twee talen worden waargenomen in alle moleculaire systemen van alle levende organismen, beginnen wetenschappers pas sinds kort hun regels en principes te begrijpen – en gebruiken ze deze talen dus om nieuwe kunstmatige nanotechnologieën te ontwerpen en te programmeren.

“Gezien de complexiteit van natuurlijke nanosystemen, was tot nu toe niemand in staat om de basisregels, voordelen of beperkingen van deze twee talen op hetzelfde systeem te vergelijken”, zei Vallée-Bélisle.

Om dit te doen, had zijn promovendus Dominic Lauzon, eerste auteur van de studie, het idee om een ​​op DNA gebaseerd moleculair systeem te creëren dat in beide talen zou kunnen functioneren. “DNA is als Legostenen voor nano-ingenieurs”, zei Lauzon. “Het is een opmerkelijk molecuul dat eenvoudige, programmeerbare en gebruiksvriendelijke chemie biedt.”

Eenvoudige wiskundige vergelijkingen om antilichamen te detecteren

De onderzoekers ontdekten dat eenvoudige wiskundige vergelijkingen beide talen zouden kunnen beschrijven, waardoor de parameters en ontwerpregels werden ontrafeld om de communicatie tussen moleculen binnen een nanosysteem te programmeren.

Terwijl de multivalente taal bijvoorbeeld controle mogelijk maakte over zowel de gevoeligheid als de coöperativiteit van de activering of deactivering van de moleculen, maakte de overeenkomstige allosterische vertaling alleen controle over de gevoeligheid van de respons mogelijk.

Met dit nieuwe begrip bij de hand, gebruikten de onderzoekers de taal van multivalentie om een ​​programmeerbare antilichaamsensor te ontwerpen en te ontwikkelen die de detectie van antilichamen over verschillende concentratiebereiken mogelijk maakt.

“Zoals blijkt uit de recente pandemie, is ons vermogen om de concentratie van antilichamen in de algemene bevolking nauwkeurig te volgen een krachtig hulpmiddel om de individuele en collectieve immuniteit van mensen te bepalen”, aldus Vallée-Bélisle.

Naast het uitbreiden van de synthetische toolbox om de volgende generatie nanotechnologie te creëren, werpt de ontdekking van de wetenschapper ook een licht op waarom sommige natuurlijke nanosystemen de ene taal boven de andere hebben gekozen om chemische informatie over te brengen.