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.