Forscher demonstrieren, wie Biomolekülmischungen kommunizieren, interagieren und sich an ihre Umgebung anpassen

Ein Postdoktorand am Advanced Science Research Center am CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) hat einen wichtigen Schritt gemacht, um zu verstehen, wie komplexe Mischungen biomolekularer Bausteine ​​selbstorganisierte Muster bilden.

Die Entdeckung – detailliert in einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Chem und verfasst von Ankit Jain, einem Mitglied des Labors des Direktors der CUNY ASRC Nanoscience Initiative, Rein Ulijn, liefert neues Wissen über adaptive biologische Funktionen, die für die Entwicklung neuartiger Materialien und Technologien mit ähnlichen Fähigkeiten und Attributen entscheidend sein könnten.

„Alle Lebensformen beginnen mit den gleichen konservierten Bausteinen, darunter die 20 Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen“, sagte Jain. „Herauszufinden, wie Mischungen dieser Moleküle kommunizieren, interagieren und selbstorganisierende Muster bilden, würde unser Verständnis darüber erweitern, wie die Biologie Funktionalität erzeugt. Dieses Verständnis könnte auch zu völlig neuen Wegen zur Schaffung von Materialien und Technologien führen, die Lebensprozesse wie Anpassung, wächst, heilt und entwickelt bei Bedarf neue Eigenschaften.“

Jain verfolgte einen neuen, synthetischen Ansatz, um aufzudecken, wie komplexe Biomolekülmischungen interagieren und sich gemeinsam an Veränderungen in ihrer Umgebung anpassen. Anstatt zu versuchen, die molekulare Organisation in bestehenden Systemen zu entwirren, wie sie beispielsweise in biologischen Zellen zu finden sind, ging er das Problem in einem Reagenzglas an, indem er Mischungen mit Komponenten herstellte, die darauf ausgelegt waren, zu reagieren und zu interagieren. Jain verfolgte und beobachtete dann die Entstehung immer komplexerer Muster, die die Biomoleküle spontan als Reaktion auf Veränderungen in ihrer Umgebung bildeten.

„Komplexe Mischungen interagierender Moleküle sind grundlegend für Lebensprozesse, aber sie werden üblicherweise nicht in Chemielabors untersucht, weil sie chaotisch, sehr kompliziert und schwer zu untersuchen und zu verstehen sind“, sagte Ulijn. „Das systematische Entwerfen von Mischungen und das Verfolgen ihres Verhaltens ermöglicht es uns, grundlegende Beobachtungen darüber zu machen, wie Mischungen von Molekülen zu funktionellen Kollektiven werden. Wir konnten detailliert beschreiben, wie diese chemischen Systeme Änderungen der äußeren Bedingungen absorbieren, um spezifische Muster des Auf- und Abbaus zu bilden. Wir auch entdeckten, dass Systeme mit so vielen Variablen ein stochastisches Verhalten zeigen, sodass die Gesamtmusterbildung zwar ähnlich aussieht, wenn mehrere Experimente durchgeführt werden, die genauen Details in zwei unabhängigen Experimenten jedoch unterschiedlich sind.

Jains Experiment begann mit dem Mischen einer Reihe ausgewählter Dipeptide, die minimalistische proteinähnliche Verbindungen sind, die aus zwei Aminosäuren bestehen. Diese Sätze von Dipeptiden (die auf der Grundlage ihrer Fähigkeit zur Aggregation und Wechselwirkung entwickelt wurden) enthielten auch einen Katalysator, der es den Dipeptiden ermöglichte, sich dynamisch zu rekombinieren und Peptide mit komplexeren Wechselwirkungsmustern zu bilden. Das komplexeste System, das in dieser Veröffentlichung untersucht wurde, begann mit 15 verschiedenen Dipeptiden, die sich reversibel zu 225 einzigartigen Tetrapeptiden verbinden. In den Mischungen konnte Jain dann den Auf- und Abbau von Peptiden unterschiedlicher Sequenz verfolgen. Er beobachtete, dass ihre Interaktionsmuster stark von den Umweltbedingungen diktiert wurden.

Die Aufklärung der molekularen Selbstorganisation durch hierarchische Muster sowohl kovalenter als auch nicht-kovalenter Wechselwirkungen ist der Schlüssel zum Verständnis, wie biologische Funktionen entstehen, die für das Leben relevant sind. Der neue Bottom-up-Ansatz ermöglicht es Forschern zum ersten Mal, Ensemble-Eigenschaften zu verstehen und gleichzeitig eine molekulare Auflösung der Informationen bereitzustellen. Die Arbeit zeigt, dass Mischungen einfacher Moleküle eine spontane Sequenzauswahl zeigen, die Einblicke in die chemischen Ursprünge der biologischen Funktion geben kann. Insgesamt wird das Design adaptiver Systeme auf der Grundlage von Mehrkomponentenmischungen wahrscheinlich zur Entdeckung führen, wie Muster die Bildung von rekonfigurierbaren, funktionellen Materialien diktieren, die vielversprechend für zukünftige bioinspirierte Technologien sind.