Zelforganisatie van complexe structuren

Tijd complexiteit. (A–C) De minimale montagetijd T^min₉₀in de vier scenario’s in afhankelijkheid van de grootte S van de doelstructuur zoals verkregen uit stochastische simulaties voor verschillende dimensionaliteiten van de structuren: (A) 1D, (B) 2D en (C) 3D. De reactieve tijdschaal (Cν)⁻¹ definieert de basistijdschaal in het systeem, die afhangt van de beginconcentratie C van monomeren per soort. Daarom wordt de minimale montagetijd gemeten in eenheden van (Cν)⁻¹. Elk gegevenspunt vertegenwoordigt een gemiddelde over verschillende onafhankelijke realisaties van de stochastische simulatie voor dezelfde (optimale) parameterwaarde, bepaald door een parameterzwaai (SI-bijlage, sectie 1). We vinden machtswet-afhankelijkheden van de minimale montagetijd van de grootte van de doelstructuur. De overeenkomstige exponenten van tijdcomplexiteit θ_sim resultaten van de simulaties worden samengevat in de tabellen in A–C samen met hun theoretische schattingen θ_e (die we afleiden in SI-bijlage, sectie 3). We geven de scenario’s aan als rev, omkeerbare binding; handelen, activering; jis, gewoon in volgorde; en zwak, dimerisatie. Krediet: DOI: 10.1073/pnas.2116373119

Onderzoekers van de Ludwig Maximilian Universiteit van München hebben een nieuwe strategie ontwikkeld voor het vervaardigen van structuren op nanoschaal op een tijd- en hulpbronnenefficiënte manier.

Macromoleculen zoals celstructuren of viruscapsiden kunnen uit kleine bouwstenen tevoorschijn komen zonder externe controle om complexe ruimtelijke structuren te vormen. Deze zelforganisatie is een centraal kenmerk van biologische systemen. Maar ook voor het bouwen van complexe nanodeeltjes in nanotechnologische toepassingen worden dergelijke zelfgeorganiseerde processen steeds belangrijker. In DNA-origami worden bijvoorbeeld grotere structuren gemaakt uit individuele basen.

Maar hoe kunnen deze reacties worden geoptimaliseerd? Dit is de vraag die LMU-natuurkundige prof. Erwin Frey en zijn team onderzoeken. De onderzoekers hebben nu een aanpak ontwikkeld op basis van het concept van tijdcomplexiteit, waarmee nieuwe strategieën kunnen worden gecreëerd voor het efficiënter synthetiseren van complexe structuren, zoals ze rapporteren in het tijdschrift PNAS.

Een concept uit de informatica

Tijdcomplexiteit beschrijft oorspronkelijk problemen uit de informatica. Het houdt in dat wordt onderzocht hoe de hoeveelheid tijd die een algoritme nodig heeft, toeneemt als er meer gegevens moeten worden verwerkt. Wanneer bijvoorbeeld het gegevensvolume verdubbelt, kan de benodigde tijd verdubbelen, verviervoudigen of zelfs nog groter worden. In het ergste geval neemt de looptijd van het algoritme zo sterk toe dat een resultaat niet meer binnen een redelijk tijdsbestek kan worden uitgevoerd.

“We hebben dit concept toegepast op zelforganisatie”, legt Frey uit. “Onze aanpak was: hoe verandert de tijd die nodig is om grote constructies te bouwen als het aantal afzonderlijke bouwstenen toeneemt?” Als we aannemen – analoog aan het geval bij informatica – dat de vereiste tijdsperiode met een zeer hoog vermogen toeneemt naarmate het aantal componenten toeneemt, zou dit de synthese van grote structuren praktisch onmogelijk maken. “Zo willen mensen methodes ontwikkelen waarbij de tijd zo min mogelijk afhangt van het aantal componenten”, legt Frey uit.

De LMU-onderzoekers hebben nu dergelijke tijdcomplexiteitsanalyses uitgevoerd met behulp van computersimulaties en wiskundige analyse en een nieuwe methode ontwikkeld voor het vervaardigen van complexe structuren. Hun theorie laat zien dat verschillende strategieën voor het bouwen van complexe moleculen totaal verschillende tijdscomplexiteiten hebben – en dus ook verschillende efficiënties. Sommige methoden zijn meer en andere minder geschikt voor het synthetiseren van complexe structuren in nanotechnologie. “Onze tijdcomplexiteitsanalyse leidt tot een eenvoudige maar informatieve beschrijving van zelfassemblageprocessen om precies te voorspellen hoe de parameters van een systeem moeten worden gecontroleerd om optimale efficiëntie te bereiken”, legt Florian Gartner, een lid van Frey’s groep en hoofdauteur van de krant.

Het team demonstreerde de uitvoerbaarheid van de nieuwe aanpak met behulp van een bekend voorbeeld uit het veld van nanotechnologie: de wetenschappers analyseerden hoe efficiënt een zeer symmetrische virale envelop kan worden vervaardigd. Computersimulaties toonden aan dat twee verschillende assemblageprotocollen in korte tijd tot hoge opbrengsten leidden.

Een nieuwe strategie voor zelforganisatie

Bij het uitvoeren van dergelijke experimenten tot nu toe, hebben wetenschappers vertrouwd op een experimenteel gecompliceerde methode waarbij de bindingssterkten tussen afzonderlijke bouwstenen worden gewijzigd. “Ons model is daarentegen uitsluitend gebaseerd op het controleren van de beschikbaarheid van de afzonderlijke bouwstenen, waardoor het een eenvoudigere en effectievere optie biedt voor het reguleren van kunstmatige zelforganisatieprocessen”, legt Gartner uit. De nieuwe techniek is qua tijdsefficiëntie vergelijkbaar en in sommige gevallen beter dan de gevestigde methoden. “Bovenal belooft dit schema veelzijdiger en praktischer te zijn dan conventionele assemblagestrategieën”, zegt de natuurkundige.

“Ons werk presenteert een nieuwe conceptuele benadering van zelforganisatie, waarvan we ervan overtuigd zijn dat deze van groot belang zal zijn voor natuurkunde, scheikunde en biologie”, zegt Frey. “Bovendien doet het concrete praktische suggesties voor nieuwe experimentele protocollen in nanotechnologie en synthetische en moleculaire biologie.”