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
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...