Naukowcy z Johannes Gutenberg University Mogunz (JGU), Max Planck Institute for Polymer Research i University of Texas w Austin zidentyfikowali formę ruchu molekularnego, którego wcześniej nie zaobserwowano. Gdy tak zwane „cząsteczki gości” – cząsteczki, które są zakwaterowane w cząsteczce gospodarza – przenikają kropelki polimerów DNA, nie rozpraszają w nich po prostu w sposób przypadkowy, ale propagują się przez nich w postaci wyraźnie zdefiniowanej fali czołowej. „Jest to efekt, którego wcale się nie spodziewaliśmy” – wskazuje Weixiang Chen z Departamentu Chemii w JGU, który odegrał ważną rolę w odkryciu. Wyniki zespołu badawczego zostały dziś opublikowane w artykule w prestiżowym czasopiśmie Nature Nanotechnology. Nowe spostrzeżenia mają nie tylko fundamentalne znaczenie dla naszego zrozumienia, w jaki sposób komórki regulują sygnały, ale mogą również przyczynić się do rozwoju inteligentnych biomateriałów, innowacyjnych rodzajów błon, programowalnych nosicieli aktywnych składników i systemów komórek syntetycznych, które mogą naśladować złożoność organizacyjną procesów w żywych istotach. Wzory fali molekularnej zamiast konwencjonalnej dyfuzji
Zwykle zdarza się, że cząsteczki są rozmieszczone w cieczach za pomocą prostej dyfuzji. Na przykład, jeśli dodasz niebieski barwnik do szklanki wody, barwnik stopniowo rozprasza się w cieczy, tworząc miękkie, rozmyte gradienty kolorów. Jednak obserwowane zachowanie cząsteczek gości w kropelach DNA jest zupełnie inne. „Cząsteczki poruszają się w sposób ustrukturyzowany i kontrolowany, który jest sprzeczny z tradycyjnymi modelami, a to przybiera formę tego, co wydaje się fala cząsteczek lub granicy mobilnej”, wyjaśnia profesor Andreas Walther z Departamentu Chemii JGU, który prowadził projekt badawczy.
Zespół badawczy wykorzystał kropelki złożone z tysięcy poszczególnych nici DNA, struktur znanych również jako kondensaty biomolekularne. Szczególnie interesujące jest fakt, że właściwości kropelek można precyzyjnie określić za pomocą struktur DNA i innych parametrów, takich jak stężenie soli. Ponadto kropelki te mają swoje odpowiedniki w komórkach biologicznych, które są w stanie zastosować podobne kondensaty w celu ustalenia złożonych procesów biochemicznych bez potrzeby membran. „Nasze syntetyczne kropelki reprezentują zatem doskonały system modelowy, z którym możemy symulować naturalne procesy i lepiej je zrozumieć” – podkreśla Chen. Do swoich kropel badacze wprowadzili specjalnie zaprojektowane nici „gości” DNA, które są w stanie wyraźnie rozpoznać wewnętrzną strukturę kropel i wiązać się z nimi. Według zespołu intrygujący ruch cząsteczek gości, który teraz wykryli po raz pierwszy, jest częściowo przypisywany sposobu, w jaki dodane DNA i DNA obecne w kropelach łączą się na podstawie zasady kluczowej i blokady. Oznacza to, że otaczający materiał staje się mniej gęsty i nie jest już ustalony na miejscu, dzięki czemu spuchnięte, dynamiczne stany rozwijają się lokalnie. Chen dodaje: „Dobrze zdefiniowany, wysoce skoncentrowany front nadal w czasie biegnie do przodu w sposób liniowy, napędzany wiązaniem chemicznym, konwersją materiału i programowalnym interakcjami DNA. Coś, co jest zupełnie nowe, jeśli chodzi o materię miękką”.
Nowa podstawa do zrozumienia procesów komórkowych
Odkrycia są nie tylko istotne dla zapewnienia nam lepszego zrozumienia fizyki materii miękkiej, ale także dla poprawy naszej wiedzy o procesach chemicznych występujących w komórkach. „Może to być jeden z brakujących elementów układanki, który po złożeniu ujawni nam, w jaki sposób komórki regulują sygnały i organizują procesy na poziomie molekularnym”, stwierdza Walther. Byłoby to również interesujące, jeśli chodzi o leczenie zaburzeń neurodegeneracyjnych, w których białka migrują z jąder komórkowych do cytoplazmy, tworząc tam kondensaty. Jak wiek przekształcają się z dynamiki w bardziej stabilny stan i budują problematyczne włókna. „Można sobie wyobrazić, że możemy znaleźć sposób wpływania na te starzejące się procesy za pomocą naszych nowych spostrzeżeń, tak że w perspektywie długoterminowej może pojawić się zupełnie nowe podejście do leczenia chorób neurodegeneracyjnych” – podsumowuje Walther.