Entschlüsseln, wie Moleküle miteinander „sprechen“, um neue Nanotechnologien zu entwickeln

Dank der Pionierarbeit kanadischer Wissenschaftler an der Université de Montréal konnten zwei molekulare Sprachen, die den Ursprung des Lebens bilden, erfolgreich nachgebildet und mathematisch validiert werden.

Die Studie „Programmierung chemischer Kommunikation: Allosterie vs. multivalenter Mechanismus“, veröffentlicht am 15. August 2023 in der Zeitschrift der American Chemical Societyöffnet neue Türen für die Entwicklung von Nanotechnologien mit Anwendungen, die von der Biosensorik über die Arzneimittelabgabe bis hin zur molekularen Bildgebung reichen.

Lebende Organismen bestehen aus Milliarden von Nanomaschinen und Nanostrukturen, die kommunizieren, um höhere Einheiten zu schaffen, die in der Lage sind, viele wesentliche Dinge zu tun, wie sich zu bewegen, zu denken, zu überleben und sich zu reproduzieren.

„Der Schlüssel zur Entstehung von Leben liegt in der Entwicklung molekularer Sprachen – auch Signalmechanismen genannt –, die sicherstellen, dass alle Moleküle in lebenden Organismen zusammenarbeiten, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen“, sagte der Hauptforscher der Studie, UdeM-Bioingenieurprofessor Alexis Vallée-Bélisle.

In Hefen beispielsweise kommunizieren Milliarden von Molekülen und koordinieren ihre Aktivitäten, um eine Vereinigung einzuleiten, wenn sie ein Paarungspheromon erkennen und binden, sagte Vallée-Bélisle, Inhaber eines kanadischen Forschungslehrstuhls für Bioingenieurwesen und Bionanotechnologie.

„Während wir in das Zeitalter der Nanotechnologie eintreten, glauben viele Wissenschaftler, dass der Schlüssel zum Entwurf und der Programmierung komplexerer und nützlicherer künstlicher Nanosysteme in unserer Fähigkeit liegt, die von lebenden Organismen entwickelten molekularen Sprachen zu verstehen und besser zu nutzen“, sagte er.

Zwei Arten von Sprachen

Eine bekannte molekulare Sprache ist die Allosterie. Der Mechanismus dieser Sprache ist „Schloss und Schlüssel“: Ein Molekül bindet und verändert die Struktur eines anderen Moleküls und weist es an, eine Aktivität auszulösen oder zu hemmen.

Eine andere, weniger bekannte molekulare Sprache ist die Multivalenz, auch bekannt als Chelateffekt. Es funktioniert wie ein Puzzle: Wenn ein Molekül an ein anderes bindet, erleichtert es die Bindung eines dritten Moleküls (oder auch nicht), indem es einfach seine Bindungsschnittstelle vergrößert.

Obwohl diese beiden Sprachen in allen molekularen Systemen aller lebenden Organismen vorkommen, haben Wissenschaftler erst vor kurzem begonnen, ihre Regeln und Prinzipien zu verstehen – und diese Sprachen daher zu verwenden, um neuartige künstliche Nanotechnologien zu entwerfen und zu programmieren.

„Angesichts der Komplexität natürlicher Nanosysteme war bisher niemand in der Lage, die Grundregeln, Vorteile oder Einschränkungen dieser beiden Sprachen auf demselben System zu vergleichen“, sagte Vallée-Bélisle.

Zu diesem Zweck hatte sein Doktorand Dominic Lauzon, Erstautor der Studie, die Idee, ein DNA-basiertes molekulares System zu schaffen, das in beiden Sprachen funktionieren könnte. „DNA ist wie Legosteine ​​für Nanoingenieure“, sagte Lauzon. „Es ist ein bemerkenswertes Molekül, das eine einfache, programmierbare und benutzerfreundliche Chemie bietet.“

Einfache mathematische Gleichungen zum Nachweis von Antikörpern

Die Forscher fanden heraus, dass einfache mathematische Gleichungen beide Sprachen gut beschreiben könnten, wodurch die Parameter und Designregeln zur Programmierung der Kommunikation zwischen Molekülen innerhalb eines Nanosystems entschlüsselt wurden.

Während beispielsweise die multivalente Sprache die Kontrolle sowohl der Empfindlichkeit als auch der Kooperativität der Aktivierung oder Deaktivierung der Moleküle ermöglichte, ermöglichte die entsprechende allosterische Übersetzung nur die Kontrolle der Empfindlichkeit der Reaktion.

Mit diesem neuen Verständnis nutzten die Forscher die Sprache der Multivalenz, um einen programmierbaren Antikörpersensor zu entwerfen und zu konstruieren, der den Nachweis von Antikörpern über verschiedene Konzentrationsbereiche hinweg ermöglicht.

„Wie die jüngste Pandemie gezeigt hat, ist unsere Fähigkeit, die Antikörperkonzentration in der Allgemeinbevölkerung genau zu überwachen, ein wirksames Instrument zur Bestimmung der individuellen und kollektiven Immunität der Menschen“, sagte Vallée-Bélisle.

Die Entdeckung des Wissenschaftlers erweitert nicht nur den synthetischen Werkzeugkasten, um die nächste Generation der Nanotechnologie zu schaffen, sondern wirft auch ein Licht darauf, warum einige natürliche Nanosysteme möglicherweise eine Sprache einer anderen vorgezogen haben, um chemische Informationen zu kommunizieren.