通过将分子连接在一起，蒙特利尔大学的科学家认为他们已经发现了生命起源时的分子系统如何进化以创造复杂的自我调节功能。

他们的研究结果发表在《AngewandteChemie》上，有望为化学家和纳米技术专家提供一种简单的策略来创建下一代动态纳米系统。

UdeM教授兼该研究的首席研究员AlexisVallée-Bélisle解释说，地球上的生命是由数百万年进化而来的数百万种不同的微小纳米结构或纳米机器维持的。

这些结构通常小于人类头发直径的10,000倍，通常由蛋白质或核酸组成。虽然有些是由单个组件或零件(通常是折叠成特定结构的线性聚合物)制成的，但大多数是使用多个组件制成的，这些组件自发组装成大型动态组件。

对刺激做出反应

Vallée-Bélisle说：“这些分子组装体具有高度动态性，可以精确地响应各种刺激，例如温度、氧气或营养物质的变化，从而激活或失活。”

“类似于需要顺序点火、制动释放、换档和气体输入才能前进的汽车，分子系统需要顺序激活或停用各种纳米机器来执行从移动、呼吸到思考等任何特定任务。”

研究人员提出了一个基本问题：动态分子组装体是如何被创建、编程和微调以支持生命的?

他们发现，许多生物组装体很可能是通过随机连接相互作用的分子(例如蛋白质或核酸，如DNA或RNA)而形成的，连接体充当每个部分之间的“连接器”。

“由于这些生物分子组装体在使生物体对其环境做出反应方面发挥着至关重要的作用，我们假设附着组件之间的连接性质也可能有助于其动态响应的进化，”持有人Vallée-Bélisle说加拿大生物工程和生物纳米技术研究主席。

探索连通性的影响

为了探索这个问题，当时的博士生DominicLauzon决定合成数十个DNA相互作用分子并将其附着在一起，以探索连接性对组装动态的影响。

该研究的第一作者Lauzon表示：“DNA等核酸的可编程、易于使用的化学特性使其成为研究与生物分子进化相关的基本问题的便捷分子。”“此外，核酸也被认为是地球生命起源的分子。”

Lauzon和Vallée-Bélisle发现，相互作用的分子之间“连接子”长度的简单变化会导致其组装动力学的显着变化。例如，某些组装体对刺激的变化表现出高度敏感性，而其他组装体则缺乏这种敏感性，甚至需要更大的刺激变化才能促进组装。

更令人惊讶的是，一些连接体甚至创造了新的复杂调节功能，例如自我抑制特性，其中添加刺激物既会促进其组装又会分解。所有这些不同的响应行为也经常在自然的“活”纳米机器中观察到。

通过实验和数学方程，研究人员还能够解释为什么这种简单的接头长度变化能够如此有效地改变分子组装的动力学。

Lauzon解释说：“创建最稳定组件的连接子也创建了最敏感的激活机制，而创建不太稳定组件的连接子则创建了不太敏感的激活机制，甚至达到了引入自我抑制的程度。”

传感至关重要

精确感知分子信号的能力对于生物组装至关重要，而且对于依赖分子信息检测和整合的纳米技术的发展也至关重要。

因此，研究人员认为，他们的发现还可能提供基本框架，以创建具有最佳调节活性的更多可编程纳米机器或纳米系统，例如，通过简单地将相互作用的分子与不同的连接体连接起来。这种分子组装体已经在生物传感或药物输送中得到应用。

除了提供简单的设计策略来创建下一代自调节纳米系统之外，科学家的发现还揭示了天然生物分子组装体如何获得最佳动力学。

“生物体的一种众所周知的分子进化策略是基因融合，其中编码两个相互作用的蛋白质结构域的DNA随机融合，”Vallée-Bélisle说。

“我们的研究结果还提供了理解融合蛋白之间接头长度的简单变化如何有效地创建显示各种动态的生物组装体所需的基本理解，其中一些比其他更适合为生物体提供优势。”

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