生命起源的分子系统可能是如何进化的：纳米机器的兴起

蒙特利尔大学的科学家们认为，通过将分子连接在一起，他们已经发现了生命起源的分子系统是如何进化产生复杂的自我调节功能的

他们的发现发表在《Angewandte Chemie》杂志上，有望为化学家和纳米技术人员提供一个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Alexis Vallée-Bélisle解释说，地球上的生命是由数百万年来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头发直径的10000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，但大多数是使用几个组件制成的，这些组件会自发组装成大型动态组件

对刺激的反应

Vallée-Bélisle说：“这些分子组装是高度动态的，可以精确地对各种刺激（如温度、氧气或营养物质的变化）进行激活或失活。”

“与需要依次点火、松开制动器、换档和输入气体才能向前行驶的汽车类似，分子系统需要依次激活或停用各种纳米机器来执行从移动、呼吸到思考的任何特定任务。”

研究人员提出了一个基本问题：动态分子组件是如何产生的，经过编程和微调以支持生命

他们发现，许多生物组装体可能是通过在每个部分之间随机连接相互作用的分子（如蛋白质或核酸，如DNA或RNA）和类似“连接器”的连接体而形成的

加拿大生物工程和生物纳米技术研究主席Vallée-Bélisle表示：“由于这些生物分子组件在使生物体对环境做出反应方面发挥着至关重要的作用，我们假设连接组件之间的连接性质也可能有助于其动态反应的演变。”

探索连接性的影响

为了探索这个问题，研究时的博士生Dominic Lauzon决定合成数十个DNA相互作用分子并将其连接在一起，以探索连接性对组装动力学的影响

该研究的第一作者Lauzon说：“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方便分子。”。“此外，核酸也被认为是地球上生命起源的分子。”

Lauzon和Vallée-Bélisle发现，相互作用分子之间“连接体”长度的简单变化会导致其组装动力学的显著变化。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，甚至需要刺激的更大变化来促进组装

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，如自我抑制特性，其中刺激的添加将促进其组装和拆卸。所有这些不同的反应行为也经常在自然的“活的”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如此简单的连接体长度变化在改变分子组装动力学方面如此有效

Lauzon解释道：“产生最稳定组装体的连接体也是产生最敏感激活机制的连接体，而产生不太稳定组装的连接体则产生了不太敏感的激活机制，甚至到了引入自我抑制的地步。”

传感至关重要

精确传感分子信号的能力对生物组件至关重要，但对依赖于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，他们的发现也可能为创建具有最佳调节活性的更可编程的纳米机器或纳米系统提供基本框架，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递送中找到了应用

除了提供一种简单的设计策略来创建下一代自我调节的纳米系统外，科学家们的发现还揭示了天然生物分子组装体是如何获得最佳动力学的

Vallée-Bélisle说：“生物体的一个众所周知的分子进化策略是基因融合，即编码两个相互作用的蛋白质结构域的DNA随机融合。”

“我们的发现还提供了理解融合蛋白之间连接体长度的简单变化如何有效地产生显示各种动力学的生物组件所需的基本理解，其中一些更适合为活生物体提供优势。”