La sintesi e l'auto-organizzazione delle macromolecole biologiche è essenziale per la vita sulla terra. I chimici dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco ora riferiscono l'emergere spontaneo di macromolecole complesse a forma di anello con bassi gradi di simmetria in laboratorio.

monomeri, molecole costituite da più subunità ripetute che possono variare o meno nella loro struttura chimica, sono classificati come macromolecole o polimeri. Esistono esempi in natura, comprese proteine ​​e acidi nucleici, che sono al centro di tutti i sistemi biologici. Le proteine ​​non solo costituiscono la base degli elementi strutturali nelle cellule, servono anche come enzimi, che catalizzano essenzialmente tutta la miriade di trasformazioni chimiche che avvengono nei sistemi viventi.

In contrasto, gli acidi nucleici come il DNA e l'RNA fungono da macromolecole informative. Il DNA immagazzina le informazioni genetiche della cellula, che viene selettivamente copiato in molecole di RNA che forniscono i modelli per la sintesi delle proteine. Inoltre, lunghe catene composte da unità di zucchero forniscono riserve energetiche sotto forma di glicogeno, che viene immagazzinato nel fegato e nei muscoli. Queste diverse classi di molecole polimeriche hanno tutte una caratteristica in comune:si piegano spontaneamente in conformazioni spaziali caratteristiche, per esempio la famosa doppia elica del DNA, che nella maggior parte dei casi sono essenziali per le loro funzioni biochimiche.

Professor Ivan Huc (Dipartimento di Farmacia, LMU) studia gli aspetti dei processi di auto-organizzazione che consentono alle macromolecole di assumere forme piegate definite. Le strutture molecolari presenti in natura gli forniscono modelli, le cui proprietà cerca di riprodurre in laboratorio con molecole non naturali che non sono né proteine, acidi nucleici o simili allo zucchero. Più specificamente, usa gli strumenti della chimica sintetica per chiarire i principi alla base dell'auto-organizzazione, costruendo molecole che sono espressamente progettate per piegarsi in forme predeterminate. A partire dai monomeri che il suo gruppo ha sviluppato, si propone di produrre ciò che chiama 'foldamers, " assemblando i monomeri uno per uno per generare una macromolecola ripiegata.

Strutture con bassi gradi di simmetria

"Il modo normale per ottenere la struttura complessa delle proteine ​​è utilizzare diversi tipi di monomeri, chiamati amminoacidi, " come riporta Huc. "E il metodo normale per collegare diversi amminoacidi nell'ordine corretto è collegarli uno per uno." La sequenza di amminoacidi contiene le informazioni di piegatura che consentono a diverse sequenze proteiche di ripiegarsi in modi diversi.

"Ma abbiamo scoperto qualcosa di inaspettato e spettacolare, " dice Huc. Lui e i suoi colleghi a Monaco, Groninga, Bordeaux e Berlino hanno utilizzato prodotti biologici, monomeri contenenti zolfo per ottenere spontaneamente macromolecole cicliche di forma complessa, come illustrato dal loro basso grado di simmetria, senza richiedere una sequenza specifica. Le macromolecole si auto-sintetizzano, non sono necessarie ulteriori condizioni. "Mettiamo solo un tipo di monomero in un pallone e aspettiamo, " dice Huc. "Questo è tipico di una reazione di polimerizzazione, ma i polimeri di un singolo monomero di solito non adottano forme complesse e non smettono di crescere a una lunghezza precisa della catena".

Per controllare ulteriormente la reazione, gli scienziati hanno anche usato una piccola molecola ospite o uno ione metallico. Il regolatore si lega all'interno della macromolecola in crescita e fa sì che i monomeri si dispongano attorno ad essa. Scegliendo un regolatore con le caratteristiche appropriate, gli autori del nuovo studio sono stati in grado di produrre strutture con un numero predeterminato di subunità. Le macromolecole cicliche hanno mostrato bassi livelli di simmetria. Alcuni consistevano di 13, 17 o 23 subunità. Dal 13, 17 e 23 sono numeri primi, le corrispondenti forme piegate mostrano bassi gradi di simmetria.

Un modello per i processi biologici e industriali

L'interesse per la delucidazione di tali meccanismi non è limitato al regno della ricerca di base. Huc ei suoi colleghi sperano che il loro approccio porti alla fabbricazione di plastiche di design. I polimeri convenzionali di solito sono costituiti da miscele di molecole che variano in lunghezza (cioè il numero di monomeri che contengono). Questa eterogeneità ha un impatto sulle loro proprietà fisiche. Quindi, ci si aspetta che la capacità di sintetizzare catene polimeriche di una lunghezza e/o geometria esatta porti a materiali con comportamenti nuovi e interessanti.

Per di più, pieghevoli come quelli che sono stati ora sintetizzati mostrano strette somiglianze strutturali con i biopolimeri. Offrono quindi un sistema modello ideale in cui studiare le proprietà delle proteine. Ogni proteina è costituita da una sequenza lineare definita (cioè non ramificata) di amminoacidi, che ne costituisce la "struttura primaria". Ma la maggior parte delle catene di amminoacidi si ripiega in sottostrutture locali come tratti a spirale elicoidale, o fili paralleli che possono formare fogli. Queste unità rappresentano la struttura secondaria della proteina. Il termine "struttura terziaria" viene applicato alla catena singola completamente piegata. Questo a sua volta può interagire con altre catene per formare un'unità funzionale o una struttura quaternaria.

L'obiettivo finale di Huc è quello di imitare meccanismi biologici complessi utilizzando strutture strutturalmente definite, precursori sintetici. Vuole capire come, Per esempio, gli enzimi si ripiegano nel corretto, conformazione biologicamente attiva in seguito alla loro sintesi nelle cellule. Molecole le cui proprietà possono essere controllate con precisione in laboratorio forniscono modelli ideali con cui elaborare le risposte e forse andare oltre gli stessi enzimi.

Lo studio è pubblicato su Chimica della natura .