Для разработки нанотехнологий учёные расшифровали, как молекулы «разговаривают» друг с другом
Два молекулярных языка, лежащих в основе возникновения жизни, были успешно воссозданы и математически подтверждены благодаря новаторской работе канадских учёных из Монреальского университета.
Исследование под заголовком «Программирование химической коммуникации: аллостерия против мультивалентного механизма» опубликовали в «Журнале Американского химического общества». Научная работа открывает двери развитию нанотехнологий для различных целей: биосенсорики, доставки лекарств и молекулярной визуализации.
Живые организмы состоят из миллиардов наномашин и наноструктур, которые взаимодействуют для создания объектов и процессов более высокого порядка: движение, мышление, выживание и размножение.
— Алексис Валле-Белиль, профессор, заведующий кафедрой биоинженерии и бионанотехнологии.
Например, у дрожжей при выделении и обнаружении феромона для спаривания миллиарды молекул будут «общаться» и координировать свои действия, пояснил профессор Валле-Белиль.
Одним из хорошо известных молекулярных языков является аллостерия. Механизм этого языка — «замок-ключ»: молекула связывает и изменяет структуру другой молекулы, направляя её на запуск или подавление активности.
Другой, менее известный молекулярный язык, — это мультивалентность, также известная как хелатный эффект. Это работает как головоломка: одна молекула связывается с другой, а затем это либо облегчает, либо нет связь с третей молекулой.

Хотя эти два языка наблюдаются во всех молекулярных системах всех живых организмов, только недавно учёные начали понимать их правила и принципы — и поэтому используют эти языки для разработки и программирования новых искусственных нанотехнологий.
Коллеге профессора и первому автору исследования, докторанту Доминику Лозону, пришла в голову идея создать молекулярную систему на основе ДНК, которая могла бы функционировать с использованием обоих языков. Лозон пояснил, что ДНК подобна кирпичикам Lego для наноинженеров благодаря удобству использования.
Исследователи обнаружили, что простые математические уравнения вполне могут описывать оба языка, которые раскрывают параметры и правила проектирования для программирования связи между молекулами внутри наносистемы. Например, в то время как многовалентный язык позволял контролировать и чувствительность, и взаимодействие при активации или деактивации молекул, соответствующий аллостерический перевод на язык формул позволял контролировать только чувствительность реакции.
Имея под рукой это новое понимание, исследователи использовали язык мультивалентности для проектирования программируемого датчика антител, который позволяет обнаруживать их в различной степени концентрации. Профессор Валле-Белиль сказал, что недавняя пандемия коронавируса показала важность такой возможности. Способность точно контролировать концентрацию антител у населения — это мощный инструмент для определения индивидуального и коллективного иммунитета.
Значение открытия — не только в расширении синтетического инструментария для создания нанотехнологий следующего поколения. Выводы канадцев также проливает свет на то, почему некоторые природные наносистемы предпочли один язык другому для передачи химической информации.
Исследование под заголовком «Программирование химической коммуникации: аллостерия против мультивалентного механизма» опубликовали в «Журнале Американского химического общества». Научная работа открывает двери развитию нанотехнологий для различных целей: биосенсорики, доставки лекарств и молекулярной визуализации.
Живые организмы состоят из миллиардов наномашин и наноструктур, которые взаимодействуют для создания объектов и процессов более высокого порядка: движение, мышление, выживание и размножение.
Ключ к возникновению жизни лежит в развитии молекулярных языков, также называемых сигнальными механизмами, которые гарантируют, что все молекулы в живых организмах работают вместе для достижения конкретных задач
— Алексис Валле-Белиль, профессор, заведующий кафедрой биоинженерии и бионанотехнологии.
Например, у дрожжей при выделении и обнаружении феромона для спаривания миллиарды молекул будут «общаться» и координировать свои действия, пояснил профессор Валле-Белиль.
Одним из хорошо известных молекулярных языков является аллостерия. Механизм этого языка — «замок-ключ»: молекула связывает и изменяет структуру другой молекулы, направляя её на запуск или подавление активности.
Другой, менее известный молекулярный язык, — это мультивалентность, также известная как хелатный эффект. Это работает как головоломка: одна молекула связывается с другой, а затем это либо облегчает, либо нет связь с третей молекулой.

Хотя эти два языка наблюдаются во всех молекулярных системах всех живых организмов, только недавно учёные начали понимать их правила и принципы — и поэтому используют эти языки для разработки и программирования новых искусственных нанотехнологий.
Коллеге профессора и первому автору исследования, докторанту Доминику Лозону, пришла в голову идея создать молекулярную систему на основе ДНК, которая могла бы функционировать с использованием обоих языков. Лозон пояснил, что ДНК подобна кирпичикам Lego для наноинженеров благодаря удобству использования.
Исследователи обнаружили, что простые математические уравнения вполне могут описывать оба языка, которые раскрывают параметры и правила проектирования для программирования связи между молекулами внутри наносистемы. Например, в то время как многовалентный язык позволял контролировать и чувствительность, и взаимодействие при активации или деактивации молекул, соответствующий аллостерический перевод на язык формул позволял контролировать только чувствительность реакции.
Имея под рукой это новое понимание, исследователи использовали язык мультивалентности для проектирования программируемого датчика антител, который позволяет обнаруживать их в различной степени концентрации. Профессор Валле-Белиль сказал, что недавняя пандемия коронавируса показала важность такой возможности. Способность точно контролировать концентрацию антител у населения — это мощный инструмент для определения индивидуального и коллективного иммунитета.
Значение открытия — не только в расширении синтетического инструментария для создания нанотехнологий следующего поколения. Выводы канадцев также проливает свет на то, почему некоторые природные наносистемы предпочли один язык другому для передачи химической информации.
- Дмитрий Ладыгин
- pixabay.com; pubs.acs.org
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Куда делась атомная бомба Гитлера? Физики увидели то, что упустили историки
Ученые подчеркивают: многие из громких мифов 1940-е годов, скорее всего, не выдержат проверки реальными фактами...
Самая известная мумия Южной Америки снова «заговорила»: последние ее месяцы были очень мрачными
Археологи говорят: именно на этой жестокой практике держалась вся империя инков...
В морском льду Антарктиды протаяла дыра площадью с Португалию. Теперь ученые знают, почему
Эксперты говорят: сбой ледового ритма опасен для Мирового океана и планеты в целом...
Что будет с Азовским морем? Российские ученые просчитали четыре варианта развития событий
Исследователи объяснили, почему при любом раскладе море не будет прежним. Но каким тогда?...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Он помогал нести крест Христу: надпись на саркофаге проливает свет на библейского персонажа
2000-летний гроб был найден еще 1941 году, но ученые до сих пор не пришли к какому-то общему мнению. Почему?...
40 000-летний подводный город нашли в Турции: почему официальная наука против такой даты?
Интересно, что древний объект находится недалеко от горы Арарат, где прямо сейчас ищут легендарный Ноев ковчег...
За 320 миллионов лет Земля как минимум 4 раза опрокидывалась набок
Поразительное, но такое заваливание идет прямо сейчас. И геологи рассказали, как и почему это происходит...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Кита лечили тем, от чего обычно умирают: этот эксперимент изменил медицину
Одиннадцатилетняя белуха угасала от неизлечимой болезни, и тогда ученые пошли на рискованные опыты...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...
Искусственная гравитация: ученые рассказали, появится ли вообще главная фишка из фантастических фильмов в космосе
Космические инженеры знают три способа обмануть невесомость. Но пока рабочий из них только один, да и то есть нюансы...
Раскрыта 217-летняя тайна: искусственный интеллект взломал зашифрованное письмо Наполеона
Нейросети последних лет — это реальный прорыв: только за несколько недель было вскрыто более 30 безнадежных шифров...