Due linguaggi molecolari all'origine della vita sono stati ricreati con successo e convalidati matematicamente, grazie al lavoro pionieristico degli scienziati canadesi dell'Università di Montréal.
Lo studio, "Programmazione della comunicazione chimica:allosteria vs. meccanismo multivalente", pubblicato il 15 agosto 2023 sul Journal of the American Chemical Society , apre nuove porte allo sviluppo di nanotecnologie con applicazioni che vanno dal biosensing, alla somministrazione di farmaci e all'imaging molecolare.
Gli organismi viventi sono costituiti da miliardi di nanomacchine e nanostrutture che comunicano per creare entità di ordine superiore in grado di fare molte cose essenziali, come muoversi, pensare, sopravvivere e riprodursi.
"La chiave per l'emergere della vita si basa sullo sviluppo di linguaggi molecolari - chiamati anche meccanismi di segnalazione - che assicurano che tutte le molecole negli organismi viventi lavorino insieme per raggiungere compiti specifici", ha affermato il ricercatore principale dello studio, il professore di bioingegneria dell'UdeM Alexis Vallée-Bélisle.
Nei lieviti, ad esempio, dopo aver rilevato e legato un feromone accoppiato, miliardi di molecole comunicano e coordinano le loro attività per avviare l'unione, ha affermato Vallée-Bélisle, titolare di una cattedra di ricerca canadese in bioingegneria e bionanotecnologia.
"Mentre entriamo nell'era della nanotecnologia, molti scienziati ritengono che la chiave per progettare e programmare nanosistemi artificiali più complessi e utili dipenda dalla nostra capacità di comprendere e utilizzare meglio i linguaggi molecolari sviluppati dagli organismi viventi", ha affermato.
Un linguaggio molecolare ben noto è l’allosteria. Il meccanismo di questo linguaggio è "serratura e chiave":una molecola lega e modifica la struttura di un'altra molecola, indirizzandola ad attivare o inibire un'attività.
Un altro linguaggio molecolare meno conosciuto è la multivalenza, nota anche come effetto chelato. Funziona come un puzzle:quando una molecola si lega a un'altra, facilita (o meno) il legame di una terza molecola semplicemente aumentando la sua interfaccia di legame.
Sebbene questi due linguaggi siano osservati in tutti i sistemi molecolari di tutti gli organismi viventi, è solo di recente che gli scienziati hanno iniziato a comprenderne le regole e i principi e quindi a utilizzare questi linguaggi per progettare e programmare nuove nanotecnologie artificiali.
"Data la complessità dei nanosistemi naturali, prima d'ora nessuno era in grado di confrontare le regole di base, i vantaggi o i limiti di questi due linguaggi sullo stesso sistema", ha affermato Vallée-Bélisle.
Per fare ciò, il suo dottorando Dominic Lauzon, primo autore dello studio, ha avuto l'idea di creare un sistema molecolare basato sul DNA che potesse funzionare utilizzando entrambe le lingue. "Il DNA è come i mattoncini Lego per i nanoingegneri", ha detto Lauzon. "È una molecola straordinaria che offre una chimica semplice, programmabile e facile da usare."
I ricercatori hanno scoperto che semplici equazioni matematiche potrebbero ben descrivere entrambi i linguaggi, svelando i parametri e le regole di progettazione per programmare la comunicazione tra le molecole all'interno di un nanosistema.
Ad esempio, mentre il linguaggio multivalente consentiva il controllo sia della sensibilità che della cooperatività dell'attivazione o disattivazione delle molecole, la corrispondente traduzione allosterica consentiva solo il controllo della sensibilità della risposta.
Con questa nuova comprensione a portata di mano, i ricercatori hanno utilizzato il linguaggio della multivalenza per progettare e ingegnerizzare un sensore anticorpale programmabile che consente il rilevamento di anticorpi in diversi intervalli di concentrazione.
"Come dimostrato dalla recente pandemia, la nostra capacità di monitorare con precisione la concentrazione di anticorpi nella popolazione generale è un potente strumento per determinare l'immunità individuale e collettiva delle persone", ha affermato Vallée-Bélisle.
Oltre ad espandere gli strumenti sintetici per creare la prossima generazione di nanotecnologie, la scoperta dello scienziato fa anche luce sul motivo per cui alcuni nanosistemi naturali potrebbero aver selezionato un linguaggio piuttosto che un altro per comunicare informazioni chimiche.
Ulteriori informazioni: Dominic Lauzon et al, Programmazione della comunicazione chimica:allosteria vs meccanismo multivalente, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c04045
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito dall'Università di Montreal
