Organizmy żywe monitorują czas i reagują na niego na wiele różnych sposobów, od wykrywania światła i dźwięku w mikrosekundach po reagowanie fizjologiczne w zaprogramowany sposób, poprzez dzienny cykl snu, miesięczny cykl menstruacyjny lub zmiany pór roku.
Taka zdolność reagowania w różnych skalach czasowych jest możliwa dzięki przełącznikom molekularnym lub nanomaszynom, które działają lub komunikują się jak precyzyjne zegary molekularne, zaprogramowane tak, aby włączały się i wyłączały w odpowiedzi na otoczenie i czas.
Teraz w ramach nowych badań naukowcom z Université de Montréal udało się odtworzyć i zweryfikować dwa odrębne mechanizmy, które mogą programować zarówno tempo aktywacji, jak i dezaktywacji nanomaszyn w organizmach żywych w wielu skalach czasowych.
Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society. Ich przełom sugeruje, w jaki sposób inżynierowie mogą wykorzystać naturalne procesy do udoskonalenia nanomedycyny i innych technologii, pomagając jednocześnie wyjaśnić ewolucję życia.
Analogia do drzwi
Przełączniki biomolekularne, czyli nanomaszyny, zwykle zbudowane z białek lub kwasów nukleinowych, stanowią podstawę mechanizmu życia. Pełnią tysiące kluczowych funkcji, w tym reakcje chemiczne, transport cząsteczek, gromadzenie energii oraz umożliwianie ruchu i wzrostu.
Ale w jaki sposób te przełączniki ewoluowały, aby aktywować się w różnych skalach czasowych? To kluczowe pytanie, które od dawna fascynuje chemików, a od czasu pionierskich prac Monoda-Wymana-Changeux i Koshlanda-Nemethy-Filmera w latach sześćdziesiątych XX wieku ogólnie przyjmuje się, że dwa popularne mechanizmy kontrolują aktywację przełączników biomolekularnych.
„Analogia drzwi jest wygodna do zilustrowania tych dwóch mechanizmów” – powiedział profesor chemii UdeM Alexis Vallée-Bélisle, główny badacz nowego badania.
„Zamknięte drzwi reprezentują nieaktywną strukturę przełącznika lub nanomaszyny, podczas gdy otwarte drzwi reprezentują jej aktywną strukturę. To interakcje między przełącznikiem a jego cząsteczką aktywującą, taką jak światło lub cząsteczka, dyktują rodzaj mechanizmu aktywacji”.
„W mechanizmie dopasowania indukowanego cząsteczka aktywująca, czyli osoba, chwyta klamkę zamkniętych drzwi, co zapewnia energię potrzebną do szybkiego otwarcia” – wyjaśniła Vallée-Bélisle. „W mechanizmie selekcji konformacyjnej cząsteczka aktywująca musi poczekać, aż drzwi spontanicznie się otworzą, zanim będzie mogła wejść w interakcję i zablokować je później w otwartej strukturze”.
Chociaż te dwa mechanizmy zaobserwowano w wielu białkach, dopiero niedawno naukowcy zdali sobie sprawę, że mechanizmy te można również wykorzystać do projektowania lepszych nanosystemów.
Wykorzystanie DNA do zbudowania nanodrzwi
Aby rozwikłać tajemnicę tych dwóch mechanizmów i ich funkcjonowania, badaczom udało się odtworzyć proste molekularne „drzwi” przy użyciu DNA. Chociaż DNA jest znane głównie ze swojej zdolności do kodowania kodu genetycznego organizmów żywych, kilku bioinżynierów zaczęło również wykorzystywać jego prostą chemię do wytwarzania obiektów w nanoskali.
„W porównaniu z białkami DNA jest cząsteczką wysoce programowalną i wszechstronną” – powiedział Dominic Lauzon, pracownik naukowy w dziedzinie chemii w UdeM i współautor nowego badania. „To jak klocki Lego, które pozwalają nam zbudować w nanoskali wszystko, co przyjdzie nam do głowy”.
Tysiąc razy szybciej
Wykorzystując DNA, naukowcy z UdeM stworzyli „drzwi” o szerokości 5 nanometrów, które można aktywować za pomocą dwóch różnych mechanizmów wykorzystujących tę samą cząsteczkę aktywującą. Umożliwiło to badaczom bezpośrednie porównanie obu mechanizmów przełączających na tej samej podstawie, testując zasady ich projektowania i możliwości programowania.
Odkryli, że przełącznik „klamki do drzwi” (z dopasowaniem indukowanym) aktywuje się i dezaktywuje tysiąc razy szybciej, ponieważ cząsteczka aktywująca zapewnia energię przyspieszającą otwieranie drzwi. Natomiast znacznie wolniejszy przełącznik bez klamki (wybór konformacyjny) można zaprogramować tak, aby otwierał się ze znacznie mniejszą szybkością, po prostu zwiększając siłę interakcji utrzymujących drzwi zamknięte.
„Odkryliśmy, że w rzeczywistości możemy zaprogramować przełączanie szybkości aktywacji z godzin na sekundy, po prostu projektując molekularne uchwyty” – wyjaśnił pierwszy autor Carl Prévost-Tremblay, absolwent biochemii.
„Pomyśleliśmy również, że możliwość programowania szybkości aktywacji przełączników i nanomaszyn może znaleźć wiele zastosowań w nanotechnologii, gdzie zdarzenia chemiczne muszą być programowane w określonych momentach”.
W stronę nowej technologii dostarczania leków
Dziedziną, która odniosłaby ogromne korzyści z opracowania nanosystemów aktywujących i dezaktywujących w różnym tempie, jest nanomedycyna, której celem jest opracowanie systemów dostarczania leków z programowalnymi szybkościami uwalniania leków.
Pomogłoby to zminimalizować częstotliwość przyjmowania leku przez pacjenta i pomóc w utrzymaniu odpowiedniego stężenia leku w organizmie przez cały okres leczenia.
Aby wykazać wysoką programowalność obu mechanizmów, naukowcy zaprojektowali i przetestowali nośnik leku przeciwmalarycznego, który może uwalniać lek z dowolną zaprogramowaną szybkością.
„Konstruując uchwyt molekularny, opracowaliśmy nośnik, który umożliwia szybkie i natychmiastowe uwolnienie leku poprzez proste dodanie cząsteczki aktywującej” – powiedział student inżynierii biomedycznej Achille Vigneault, również autor badania. „W przypadku braku uchwytu opracowaliśmy także nośnik, który zapewnia programowalne, powolne, ciągłe uwalnianie leku po jego aktywacji”.
Wyniki te wyjaśniają także odrębne role ewolucyjne i zalety tych dwóch mechanizmów sygnalizacyjnych oraz wyjaśniają, dlaczego niektóre białka ewoluowały tak, aby były aktywowane za pomocą jednego mechanizmu, a nie drugiego – twierdzą naukowcy.
„Na przykład receptory komórkowe, które wymagają szybkiej aktywacji w celu wykrycia światła lub wyczucia zapachów, prawdopodobnie skorzystają na mechanizmie szybkiego indukowanego dopasowania” – stwierdziła Vallée-Bélisle, „podczas gdy procesy trwające tygodniami, takie jak hamowanie proteaz, zdecydowanie korzystają na wolniejszym mechanizmie konformacyjnym mechanizm selekcji.”
O tym badaniu
„Programowanie kinetyki komunikacji chemicznej: dopasowanie indukowane a selekcja konformacyjna” autorstwa Carla Prévosta-Tremblaya, Achille'a Vigneaulta, Dominica Lauzona i Alexisa Vallée-Bélisle opublikowano 19 grudnia 2024 r. w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society. Finansowanie zapewniła Kanadyjska Narodowa Rada ds. Badań nad Nauką i Inżynierią, program Kanadyjskich Katedr Badawczych, Les Fonds de recherche du Québec — Nature et Technologies oraz sieć PROTEO.