Wetenschappers creëren moleculaire timers opnieuw om de activeringssnelheid van nanomachines te controleren

Levende organismen houden de tijd in de gaten – en reageren erop – op veel verschillende manieren, van het detecteren van licht en geluid in microseconden tot het fysiologisch reageren op voorgeprogrammeerde manieren, via hun dagelijkse slaapcyclus, maandelijkse menstruatiecyclus of op veranderingen in de seizoenen.

Een dergelijk vermogen om op verschillende tijdschalen te reageren wordt mogelijk gemaakt via moleculaire schakelaars of nanomachines die fungeren of communiceren als nauwkeurige moleculaire timers, geprogrammeerd om aan en uit te gaan als reactie op de omgeving en de tijd.

Nu hebben wetenschappers van de Université de Montréal met succes twee verschillende mechanismen nagebootst en gevalideerd die zowel de activerings- als deactiveringssnelheid van nanomachines in levende organismen over meerdere tijdschalen kunnen programmeren.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society. Hun doorbraak suggereert hoe ingenieurs natuurlijke processen kunnen benutten om nanogeneeskunde en andere technologieën te verbeteren, en tegelijkertijd kunnen helpen verklaren hoe het leven is geëvolueerd.

De analogie van de deur

Biomoleculaire schakelaars of nanomachines, meestal gemaakt van eiwitten of nucleïnezuren, zijn de basis van de machinerie van het leven. Ze vervullen duizenden sleutelfuncties, waaronder chemische reacties, het transporteren van moleculen, het opslaan van energie en het mogelijk maken van beweging en groei.

Maar hoe zijn deze schakelaars geëvolueerd om op verschillende tijdschalen te activeren? Dat is een sleutelvraag die scheikundigen al lang fascineert, en sinds het baanbrekende werk van Monod-Wyman-Changeux en Koshland-Nemethy-Filmer in de jaren zestig wordt algemeen aangenomen dat twee populaire mechanismen de activering van biomoleculaire schakelaars controleren.

“De analogie van een deur is handig om deze twee mechanismen te illustreren”, zegt UdeM-chemieprofessor Alexis Vallée-Bélisle, de hoofdonderzoeker van de nieuwe studie.

“De gesloten deur vertegenwoordigt de inactieve structuur van de schakelaar of nanomachine, terwijl de open deur de actieve structuur ervan vertegenwoordigt. Het zijn de interacties tussen de schakelaar en zijn activerende molecuul, zoals licht of een molecuul, die het type activeringsmechanisme dicteren.”

“Bij het geïnduceerde fit-mechanisme grijpt het activerende molecuul, of de persoon, de handgreep van de gesloten deur, die de energie levert voor een snelle opening”, legt Vallée-Bélisle uit.

“In het conformationele selectiemechanisme moet het activerende molecuul wachten tot de deur spontaan opengaat voordat het kan interageren en dit later in de open structuur kan blokkeren.”

Hoewel deze twee mechanismen in veel eiwitten zijn waargenomen, hebben wetenschappers zich pas onlangs gerealiseerd dat deze mechanismen ook kunnen worden gebruikt om betere nanosystemen te ontwikkelen.

DNA gebruiken om een ​​nanodeur te bouwen

Om het mysterie achter deze twee mechanismen en hun werking te ontrafelen, zijn onderzoekers er met succes in geslaagd een eenvoudige moleculaire ‘deur’ te herscheppen met behulp van DNA. Hoewel DNA vooral bekend staat om zijn vermogen om de genetische code van levende organismen te coderen, zijn verschillende bio-ingenieurs de eenvoudige chemie ook gaan gebruiken om objecten op nanoschaal te fabriceren.

“Vergeleken met eiwitten is DNA een zeer programmeerbaar en veelzijdig molecuul”, zegt Dominic Lauzon, universitair hoofddocent scheikunde bij UdeM en co-auteur van de nieuwe studie. “Het is net als de Lego-blokken van de chemie waarmee we op nanoschaal kunnen bouwen wat we maar in gedachten hebben.”

Duizend keer sneller

Met behulp van DNA hebben de UdeM-wetenschappers een 5 nanometer brede ‘deur’ gecreëerd die kan worden geactiveerd via de twee mechanismen met behulp van hetzelfde activerende molecuul. Hierdoor konden de onderzoekers beide schakelmechanismen rechtstreeks op dezelfde basis vergelijken, waarbij hun ontwerpprincipes en programmeervermogen werden getest.

Ze ontdekten dat de ‘deurklink’-schakelaar (geïnduceerde pasvorm) duizend keer sneller activeert en deactiveert, omdat het activerende molecuul de energie levert om het openen van de deur te versnellen. Daarentegen kan de veel langzamere schakelaar zonder hendel (conformatieselectie) worden geprogrammeerd om met veel langzamere snelheden te openen door simpelweg de kracht van de interacties te vergroten die de deur gesloten houden.

“We hebben ontdekt dat we in feite de activering van de schakelsnelheid van uren naar seconden kunnen programmeren door simpelweg moleculaire handvatten te ontwerpen”, legt eerste auteur Carl Prévost-Tremblay uit, een afgestudeerde student biochemie.

“We dachten ook dat dit vermogen om de activeringssnelheid van schakelaars en nanomachines te programmeren veel toepassingen zou kunnen vinden in de nanotechnologie, waar chemische gebeurtenissen op specifieke tijdstippen moeten worden geprogrammeerd.”

Op weg naar nieuwe technologie voor medicijnafgifte

Eén vakgebied dat drastisch zou profiteren van de ontwikkeling van nanosystemen die met verschillende snelheden activeren en deactiveren, is de nanogeneeskunde, die tot doel heeft systemen voor de toediening van geneesmiddelen te ontwikkelen met programmeerbare snelheden voor de afgifte van geneesmiddelen.

Dit zou helpen het aantal keren dat een patiënt een medicijn inneemt tot een minimum te beperken en de juiste concentratie van het medicijn in het lichaam te behouden gedurende de duur van een behandeling.

Om de hoge programmeerbaarheid van beide mechanismen te demonstreren, hebben de onderzoekers een antimalariamedicijndrager ontworpen en getest die het medicijn in elke geprogrammeerde snelheid kan afgeven.

“Door een moleculair handvat te ontwikkelen, hebben we een drager ontwikkeld die een snelle en onmiddellijke afgifte van het medicijn mogelijk maakt via de simpele toevoeging van een activerend molecuul”, zegt Achille Vigneault, masterstudent biomedische technologie, tevens auteur van het onderzoek.

“En bij gebrek aan een handvat hebben we ook een drager ontwikkeld die zorgt voor een programmeerbare, langzame, continue afgifte van het medicijn na activering ervan.”

Deze resultaten ontrafelen ook de verschillende evolutionaire rollen en voordelen van de twee signaalmechanismen, en verklaren waarom sommige eiwitten zijn geëvolueerd om via het ene mechanisme boven het andere te worden geactiveerd, aldus de wetenschappers.

“Celreceptoren die snelle activering vereisen om licht te detecteren of geuren waar te nemen, profiteren bijvoorbeeld waarschijnlijk van een snel geïnduceerd fit-mechanisme”, zegt Vallée-Bélisle. “Terwijl processen die weken duren, zoals proteaseremming, definitief profiteren van het langzamere conformationele selectiemechanisme.”