Kemister skapar nanomaskiner genom att bryta isär dem

Kemister skapar nanomaskiner genom att bryta isär dem

Tidsstämpel: 9 februari 2023 12:08
Källnod: 1948040
09 feb 2023 (Nanowerk Nyheter) "Varje skapelsehandling", noterade Picasso berömt, "är först en förstörelsehandling." Om man tar detta koncept bokstavligt, har forskare i Kanada nu upptäckt att "bryta" molekylära nanomaskiner som är grundläggande för livet kan skapa nya som fungerar ännu bättre. Deras resultat publiceras i Naturkemi ("Funktionella fördelar med att bygga nanosystem med hjälp av flera molekylära komponenter"). tillverkning av nanomaskiner Bilden illustrerar hur tillverkningen av nanomaskiner med en grön komponent (överst) leder till en enkel funktionell enhet medan tillverkningen av liknande nanomaskiner med tre komponenter (blå, orange och grön) gör det möjligt att skapa funktionella enheter med nya regleringsegenskaper (t.ex. mindre känslig - dvs samarbetsvillig eller anti-kooperativ - och en timerfunktion). (Bild: Caitlin Monney)

Utvecklats under miljontals år

Livet på jorden möjliggörs av tiotusentals nanomaskiner som har utvecklats under miljontals år. Ofta gjorda av proteiner eller nukleinsyror, innehåller de vanligtvis tusentals atomer och är mindre än 10,000 XNUMX gånger så stora som ett människohår. "Dessa nanomaskiner kontrollerar alla molekylära aktiviteter i vår kropp, och problem med deras reglering eller struktur är orsaken till de flesta mänskliga sjukdomar", säger den nya studiens huvudutredare Alexis Vallée-Bélisle, kemiprofessor vid Université de Montréal. Vallée-Bélisle, innehavare av Canada Research Chair in Bioengineering and Bio-Nanotechnology, studerade hur dessa nanomaskiner är byggda, märkte att medan vissa tillverkas med en enda komponent eller del (ofta långa biopolymerer), använder andra flera komponenter som spontant sätts ihop. . "Eftersom de flesta av mina elever spenderar sina liv med att skapa nanomaskiner, började vi undra om det är mer fördelaktigt att skapa dem med en eller flera självmonterande molekylära komponenter", säger Vallée-Bélisle.

En "destruktiv" idé

För att utforska denna fråga fick hans doktorand Dominic Lauzon den "destruktiva" idén att bryta upp några nanomaskiner för att se om de kunde sättas ihop igen. För att göra det gjorde han artificiella DNA-baserade nanomaskiner som kunde "förstöras" genom att bryta upp dem. "DNA är en anmärkningsvärd molekyl som erbjuder enkel, programmerbar och lättanvänd kemi", säger Lauzon, studiens första författare. "Vi trodde att DNA-baserade nanomaskiner kunde hjälpa till att svara på grundläggande frågor om skapandet och utvecklingen av naturliga och mänskligt tillverkade nanomaskiner." Lauzon och Vallée-Bélisle ägnade år åt att utföra de experimentella valideringarna. De kunde visa att nanomaskiner lätt kunde motstå fragmentering, men ännu viktigare, att en sådan destruktiv händelse möjliggjorde skapandet av olika nya funktioner, inklusive olika känslighetsnivåer för variation i komponentkoncentration, temperatur och mutationer. Vad forskarna fann är att dessa funktioner kan uppstå helt enkelt genom att kontrollera koncentrationen av varje enskild komponent. Till exempel, när man skär en nanomaskin i tre komponenter, visade sig nanomaskiner aktiveras känsligare vid hög koncentration av komponenter. Däremot, vid låg koncentration av komponenter, kan nanomaskiner programmeras för att aktivera eller inaktivera vid ett visst ögonblick eller att helt enkelt hämma deras funktion. "Sammantaget skapades dessa nya funktioner genom att helt enkelt skära upp, eller förstöra, strukturen hos en befintlig nanomaskin," sa Lauzon. "Dessa funktioner kan drastiskt förbättra människobaserad nanoteknik som sensorer, läkemedelsbärare och till och med molekylära datorer."

Utveckling av nya funktioner

Precis som Picasso vanligtvis förstörde dussintals ofullbordade verk för att skapa sina berömda konstverk, och precis som muskler måste bryta ner för att bli starkare, och innovativa nya företag föds genom att eliminera äldre konkurrenter från marknaden, kan maskiner i nanoskala utveckla nya funktioner genom att tas isär. Till skillnad från vanliga maskiner som mobiltelefoner, tv-apparater och bilar, som tillverkas genom att kombinera komponenter med skruvar och bultar, lim, löd eller elektronik, "förlitar nanomaskiner sig på tusentals svaga dynamiska intermolekylära krafter som spontant kan reformeras, vilket gör det möjligt för trasiga nanomaskiner att återmontera , sa Vallée-Bélisle. Förutom att tillhandahålla nanoteknologi Forskare med en enkel designstrategi för att skapa nästa generation av nanomaskiner, belyser UdeM-teamets resultat också hur naturliga molekylära nanomaskiner kan ha utvecklats. "Biologer har nyligen upptäckt att cirka 20 procent av biologiska nanomaskiner kan ha utvecklats genom fragmentering av deras gener", säger Vallée-Bélisle. "Med våra resultat har biologer nu en rationell grund för att förstå hur fragmenteringen av dessa förfäders proteiner kunde ha skapat nya molekylära funktioner för livet på jorden."

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk