Живые «таймеры»: как молекулярные механизмы помогают организмам измерять время

Живые организмы следят за временем и реагируют на него самыми разными способами — от обнаружения света и звука за микросекунды до физиологических реакций, запрограммированных на суточный цикл сна, ежемесячный менструальный цикл или смену времен года.

Такая способность реагировать в разных временных масштабах стала возможной благодаря молекулярным переключателям или наномашинам, которые действуют или взаимодействуют как точные молекулярные таймеры, запрограммированные на включение и выключение в зависимости от окружающей среды и времени.

В новом исследовании ученые из Монреальского университета успешно воссоздали и подтвердили два различных механизма, которые могут программировать скорость активации и деактивации наномашин в живых организмах в различных временных масштабах.

Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society. Их открытие позволяет инженерам использовать естественные процессы для совершенствования наномедицины и других технологий, а также объяснить, как эволюционировала жизнь.

Аналогия с дверью

Биомолекулярные переключатели или наномашины, обычно состоящие из белков или нуклеиновых кислот, являются «гайками и болтами» механизма жизни. Они выполняют тысячи ключевых функций, включая химические реакции, транспортировку молекул, накопление энергии и обеспечение движения и роста.

Но как эти переключатели эволюционировали, чтобы активироваться на разных временных отрезках? Этот вопрос давно волнует химиков, и со времен пионерской работы Монода-Ваймана-Шанго и Кошланда-Немети-Филмера в 1960-х годах принято считать, что активация биомолекулярных переключателей контролируется двумя популярными механизмами.

Для иллюстрации этих двух механизмов удобно использовать аналогию с дверью, — говорит профессор химии Удэма Алексис Валле-Белисле, главный исследователь нового исследования.

Закрытая дверь представляет собой неактивную структуру переключателя или наномашины, в то время как открытая дверь — ее активную структуру. Именно взаимодействие между переключателем и активирующей его молекулой, например светом или молекулой, определяет тип механизма активации.

«В механизме индуцированной подгонки активирующая молекула или человек хватается за ручку закрытой двери, что обеспечивает энергию для быстрого открытия», — пояснил Валле-Белисле. „В механизме конформационного отбора активирующая молекула должна подождать, пока дверь спонтанно откроется, прежде чем она сможет взаимодействовать и блокировать ее в открытой структуре“.

Хотя эти два механизма были замечены во многих белках, лишь недавно ученые поняли, что их можно использовать и для создания более совершенных наносистем.

Использование ДНК для создания нанодвери

Чтобы разгадать тайну этих двух механизмов и их функционирования, исследователи успешно воссоздали простую молекулярную «дверь» с помощью ДНК. Хотя ДНК известна в основном своей способностью кодировать генетический код живых организмов, некоторые биоинженеры также начали использовать ее простую химию для создания объектов в наномасштабе.

По сравнению с белком, ДНК — очень программируемая и универсальная молекула, — говорит Доминик Лаузон, младший научный сотрудник химического факультета Удэма и соавтор нового исследования.

Это как блоки Lego в химии, которые позволяют нам строить все, что мы задумали в наномасштабе.

В тысячу раз быстрее

Используя ДНК, ученые Удэма создали «дверь» шириной 5 нанометров, которая может быть активирована двумя различными механизмами с помощью одной и той же активирующей молекулы. Это позволило исследователям напрямую сравнить оба механизма переключения на одной и той же основе, проверив принципы их конструкции и способность к программированию.
Они обнаружили, что переключатель „дверная ручка“ (induced-fit) активируется и деактивируется в тысячу раз быстрее, поскольку активирующая молекула обеспечивает энергию для ускорения открытия двери. В отличие от этого, гораздо более медленный переключатель без ручки (конформационный отбор) можно запрограммировать на гораздо более медленное открытие, просто увеличив силу взаимодействий, поддерживающих дверь закрытой.

Мы обнаружили, что можем запрограммировать скорость активации переключателей от нескольких часов до нескольких секунд, просто разработав молекулярные ручки, — объясняет первый автор Карл Прево-Трембли, студент-биохимик.

Мы также подумали, что эта способность программировать скорость активации переключателей и наномашин может найти множество применений в нанотехнологиях, где химические события должны быть запрограммированы в определенное время.

На пути к новым технологиям доставки лекарств

Одной из областей, где разработка наносистем, активирующихся и дезактивирующихся с разной скоростью, принесет огромную пользу, является наномедицина, целью которой является создание систем доставки лекарств с программируемой скоростью их высвобождения.

Это позволит свести к минимуму частоту приема лекарства и поддерживать нужную концентрацию препарата в организме на протяжении всего курса лечения.

Чтобы продемонстрировать высокую программируемость обоих механизмов, исследователи разработали и испытали носитель противомалярийного препарата, который может высвобождать лекарство с любой запрограммированной скоростью.

Создав молекулярную ручку, мы разработали носитель, обеспечивающий быстрое и немедленное высвобождение лекарства путем простого добавления активирующей молекулы, — говорит магистрант факультета биомедицинской инженерии Акилле Виньо, также автор исследования.

А в отсутствие ручки мы также разработали носитель, который обеспечивает программируемое медленное непрерывное высвобождение лекарства после его активации.

По словам ученых, эти результаты также раскрывают различные эволюционные роли и преимущества двух сигнальных механизмов и объясняют, почему некоторые белки эволюционировали, чтобы активироваться с помощью одного механизма, а не другого.

Например, клеточные рецепторы, которым требуется быстрая активация для обнаружения света или восприятия запахов, вероятно, выигрывают от быстрого механизма индуцированной подгонки, — говорит Валле-Белисле, — в то время как процессы, длящиеся неделями, такие как ингибирование протеазы, определенно выигрывают от более медленного механизма конформационного отбора.

Ранее ученые сробщили, что работа биологических часов зависит от температуры.

19.12.2024