Rappresentazione schematica del paesaggio di interazione di miscele di biomolecole. Credito:Ella Maru Studio e Ankit Jain
Un ricercatore post-dottorato presso l'Advanced Science Research Center presso il CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) ha compiuto un passo importante verso la comprensione di come miscele complesse di blocchi biomolecolari formino schemi auto-organizzati.
La scoperta, dettagliata in un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Chem e scritto da Ankit Jain, membro del laboratorio del CUNY ASRC Nanoscience Initiative Director Rein Ulijn, fornisce nuove conoscenze sulle funzioni biologiche adattive, che potrebbero essere fondamentali nella progettazione di nuovi materiali e tecnologie con abilità e attributi simili.
"Tutte le forme di vita iniziano con gli stessi insiemi conservati di blocchi costitutivi, che include i 20 aminoacidi che compongono le proteine", ha detto Jain. "Capire come le miscele di queste molecole comunicano, interagiscono e formano modelli di auto-organizzazione aumenterebbe la nostra comprensione di come la biologia crea funzionalità. Questa comprensione potrebbe anche dare origine a modi completamente nuovi di creare materiali e tecnologie che incorporano processi vitali come l'adattamento, crescere, curare e sviluppare nuove proprietà quando necessario."
Jain ha adottato un nuovo approccio sintetico per iniziare a scoprire come le complesse miscele di biomolecole interagiscono e si adattano collettivamente ai cambiamenti nel loro ambiente. Invece di cercare di districare l'organizzazione molecolare nei sistemi esistenti, come quelli che si trovano nelle cellule biologiche, ha affrontato il problema in una provetta creando miscele con componenti progettati per reagire e interagire. Jain ha quindi tracciato e osservato l'emergere di schemi sempre più complessi che le biomolecole formavano spontaneamente in risposta ai cambiamenti nel loro ambiente.
"Miscele complesse di molecole interagenti sono fondamentali per i processi vitali, ma non sono comunemente studiate nei laboratori di chimica, perché sono disordinate, molto complicate e difficili da studiare e comprendere", ha affermato Ulijn. "La progettazione sistematica di miscele e il monitoraggio del loro comportamento ci consente di fare osservazioni fondamentali su come le miscele di molecole diventano collettivi funzionali. Siamo stati in grado di descrivere in dettaglio come questi sistemi chimici assorbono i cambiamenti nelle condizioni esterne per formare modelli specifici di accumulo e disgregazione. Abbiamo anche scoperto che i sistemi con così tante variabili mostrano un comportamento stocastico, quindi mentre la formazione complessiva del modello sembra simile quando si eseguono più esperimenti, i dettagli precisi in due esperimenti indipendenti sono diversi".
L'esperimento di Jain è iniziato con la miscelazione di una serie di dipeptidi selezionati, che sono composti minimalisti simili a proteine composti da due amminoacidi. Questi insiemi di dipeptidi (progettati in base alla loro capacità di aggregarsi e interagire) contenevano anche un catalizzatore che consentiva ai dipeptidi di ricombinarsi dinamicamente e formare peptidi con schemi di interazione più complessi. Il sistema più complesso studiato in questo documento è iniziato con 15 diversi dipeptidi, che si combinano in modo reversibile per formare 225 tetrapeptidi unici. È stato quindi possibile per Jain monitorare la formazione e la scomposizione di peptidi di sequenza diversa all'interno delle miscele. Ha osservato che i loro modelli di interazione erano fortemente dettati dalle condizioni ambientali.
Illuminare l'auto-organizzazione molecolare attraverso modelli gerarchici di interazioni sia covalenti che non covalenti è la chiave per comprendere come emergono le funzioni biologiche rilevanti per la vita. Il nuovo approccio bottom-up consente ai ricercatori di comprendere, per la prima volta, le caratteristiche dell'insieme fornendo contemporaneamente la risoluzione molecolare delle informazioni. Il lavoro dimostra che miscele di molecole semplici dimostrano una selezione spontanea della sequenza, che può fornire informazioni sulle origini chimiche della funzione biologica. Nel complesso, è probabile che la progettazione di sistemi adattivi basati su miscele multicomponente porti alla scoperta di come i modelli dettino la formazione di materiali riconfigurabili e funzionali che promettono per le future tecnologie bioispirate. + Esplora ulteriormente
