Chemiker stellen Nanomaschinen her, indem sie sie zerlegen

„Jeder Schöpfungsakt“, bemerkte Picasso bekanntermaßen, „ist zuerst ein Akt der Zerstörung.“

Forscher in Kanada haben dieses Konzept wörtlich genommen und nun entdeckt, dass das „Zerbrechen“ von lebenswichtigen molekularen Nanomaschinen neue schaffen kann, die noch besser funktionieren.

Ihre Ergebnisse werden heute in veröffentlicht Naturchemie.

Entstanden über Millionen von Jahren

Das Leben auf der Erde wird durch Zehntausende von Nanomaschinen ermöglicht, die sich über Millionen von Jahren entwickelt haben. Sie bestehen oft aus Proteinen oder Nukleinsäuren, enthalten typischerweise Tausende von Atomen und sind weniger als 10.000 Mal so groß wie ein menschliches Haar.

„Diese Nanomaschinen kontrollieren alle molekularen Aktivitäten in unserem Körper, und Probleme mit ihrer Regulierung oder Struktur sind der Ursprung der meisten menschlichen Krankheiten“, sagte der Hauptforscher der neuen Studie, Alexis Vallée-Bélisle, Chemieprofessor an der Université de Montréal.

Vallée-Bélisle, Inhaberin des Canada Research Chair in Bioengineering and Bio-Nanotechnology, untersuchte die Art und Weise, wie diese Nanomaschinen gebaut werden, und bemerkte, dass einige aus einer einzigen Komponente oder einem Teil (häufig lange Biopolymere) hergestellt werden, während andere mehrere Komponenten verwenden, die sich spontan zusammenfügen .

„Da die meisten meiner Studenten ihr Leben damit verbringen, Nanomaschinen zu bauen, begannen wir uns zu fragen, ob es vorteilhafter ist, sie mit einer oder mehreren selbstorganisierenden molekularen Komponenten herzustellen“, sagte Vallée-Bélisle.

Eine „zerstörerische“ Idee

Um dieser Frage nachzugehen, hatte sein Doktorand Dominic Lauzon die „zerstörerische“ Idee, einige Nanomaschinen zu zerlegen, um zu sehen, ob sie wieder zusammengesetzt werden könnten. Zu diesem Zweck stellte er künstliche DNA-basierte Nanomaschinen her, die durch Aufbrechen „zerstört“ werden konnten.

„DNA ist ein bemerkenswertes Molekül, das eine einfache, programmierbare und benutzerfreundliche Chemie bietet“, sagte Lauzon, der Erstautor der Studie. „Wir glaubten, dass DNA-basierte Nanomaschinen helfen könnten, grundlegende Fragen zur Entstehung und Entwicklung natürlicher und von Menschen gemachter Nanomaschinen zu beantworten.“

Lauzon und Vallée-Bélisle verbrachten Jahre damit, die experimentellen Validierungen durchzuführen. Sie konnten zeigen, dass Nanomaschinen einer Fragmentierung leicht widerstehen können, aber noch wichtiger ist, dass ein solches zerstörerisches Ereignis die Schaffung verschiedener neuartiger Funktionalitäten ermöglichte, darunter unterschiedliche Empfindlichkeitsstufen gegenüber Schwankungen in der Komponentenkonzentration, Temperatur und Mutationen.

Die Forscher fanden heraus, dass diese Funktionalitäten einfach durch die Steuerung der Konzentration jeder einzelnen Komponente entstehen könnten. Beim Schneiden einer Nanomaschine in drei Komponenten wurde beispielsweise festgestellt, dass Nanomaschinen bei einer hohen Konzentration von Komponenten empfindlicher aktiviert werden. Im Gegensatz dazu könnten Nanomaschinen bei niedriger Konzentration von Komponenten so programmiert werden, dass sie zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiviert oder deaktiviert oder ihre Funktion einfach gehemmt werden.

„Insgesamt wurden diese neuartigen Funktionalitäten durch einfaches Zerschneiden oder Zerstören der Struktur einer bestehenden Nanomaschine geschaffen“, sagte Lauzon. „Diese Funktionalitäten könnten menschenbasierte Nanotechnologien wie Sensoren, Wirkstoffträger und sogar molekulare Computer drastisch verbessern.“

Entwicklung neuer Funktionalitäten

So wie Picasso normalerweise Dutzende von unvollendeten Werken zerstörte, um seine berühmten Kunstwerke zu schaffen, und wie Muskeln brechen müssen, um stärker zu werden, und innovative neue Unternehmen entstehen, indem ältere Konkurrenten vom Markt verdrängt werden, können nanoskalige Maschinen neue Funktionen entwickeln, indem sie übernommen werden auseinander.

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Maschinen wie Mobiltelefonen, Fernsehern und Autos, die durch die Kombination von Komponenten mit Schrauben und Bolzen, Klebstoff, Lötmittel oder Elektronik hergestellt werden, „verlassen sich Nanomaschinen auf Tausende schwacher dynamischer intermolekularer Kräfte, die sich spontan neu bilden können, wodurch sich kaputte Nanomaschinen wieder zusammensetzen können “, sagte Vallée-Bélisle.

Die Ergebnisse des UdeM-Teams liefern nicht nur Nanotechnologie-Forschern eine einfache Designstrategie zur Entwicklung der nächsten Generation von Nanomaschinen, sondern geben auch Aufschluss darüber, wie sich natürliche molekulare Nanomaschinen entwickelt haben könnten.

„Biologen haben kürzlich entdeckt, dass sich etwa 20 Prozent der biologischen Nanomaschinen durch die Fragmentierung ihrer Gene entwickelt haben könnten“, sagte Vallée-Bélisle. „Mit unseren Ergebnissen haben Biologen jetzt eine rationale Grundlage, um zu verstehen, wie die Fragmentierung dieser angestammten Proteine ​​neue molekulare Funktionalitäten für das Leben auf der Erde geschaffen haben könnte.“