科学家重新创建分子计时器来控制纳米机器的激活率

生物体以多种不同的方式监测时间并对其做出反应，从微秒级的光和声音检测到预先编程的生理反应，通过日常睡眠周期、每月月经周期或季节变化

这种在不同时间尺度上做出反应的能力是通过分子开关或纳米机器实现的，这些开关或纳米机械作为精确的分子计时器起作用或通信，被编程为根据环境和时间打开和关闭

现在，蒙特利尔大学的科学家们已经成功地重建并验证了两种不同的机制，可以在多个时间尺度上对生物体中纳米机器的激活和失活速率进行编程

他们的发现发表在《美国化学学会杂志》上。他们的突破表明，工程师们可以利用自然过程来改进纳米医学和其他技术，同时也有助于解释生命是如何进化的

门类比

生物分子开关或纳米机器，通常由蛋白质或核酸制成，是生命机器的螺母和螺栓。它们执行数千种关键功能，包括化学反应、运输分子、储存能量以及促进运动和生长

但是这些开关是如何进化到在不同的时间尺度上激活的呢？这是一个长期困扰化学家的关键问题，自20世纪60年代Monod Wyman Changeux和Koshland Nemethy Filmer的开创性工作以来，人们普遍认为有两种流行的机制可以控制生物分子开关的激活

这项新研究的首席研究员、UdeM化学教授Alexis Vallée-Bélisle说：“门的类比很方便地说明了这两种机制。”

“关闭的门代表开关或纳米机器的非活性结构，而打开的门代表其活性结构。开关与其激活分子（如光或分子）之间的相互作用决定了激活机制的类型。”

Vallée-Bélisle解释说：“在诱导配合机制中，激活分子或人抓住关闭的门的把手，为快速打开提供能量。”

“在构象选择机制中，激活分子需要等待门自发打开，然后才能在打开的结构中相互作用并阻断它。”

虽然这两种机制在许多蛋白质中都有观察到，但科学家们直到最近才意识到这些机制也可用于设计更好的纳米系统

使用DNA构建纳米门

为了解开这两种机制及其功能背后的谜团，研究人员成功地使用DNA重建了一个简单的分子“门”。尽管DNA以其编码生物体遗传密码的能力而闻名，但一些生物工程师也开始利用其简单的化学物质在纳米级制造物体

UdeM化学副研究员、这项新研究的合著者Dominic Lauzon说：“与蛋白质相比，DNA是一种高度可编程和多功能的分子。”。“这就像乐高化学积木，让我们能够在纳米级构建我们想要的任何东西。”

使用DNA，UdeM科学家创造了一个5纳米宽的“门”，可以通过使用相同的激活分子的两种机制激活。这使得研究人员能够在相同的基础上直接比较两种切换机制，测试它们的设计原理和编程能力

他们发现，“门把手”（感应配合）开关的激活和去激活速度要快一千倍，因为激活分子提供了加速开门的能量。相比之下，没有手柄的慢得多的开关（构象选择）可以通过简单地增加保持门关闭的相互作用的强度来编程以慢得多地打开

第一作者、生物化学研究生Carl Prévost Tremblay解释说：“我们发现，事实上，只需设计分子手柄，我们就可以将开关速率激活从数小时编程到数秒。”

“我们还认为，这种对开关和纳米机器的激活率进行编程的能力可以在纳米技术中找到许多应用，在这些应用中，化学事件需要在特定时间进行编程。”

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迈向新的药物递送技术

一个将从开发以不同速率激活和失活的纳米系统中受益匪浅的领域是纳米医学，其目的是开发具有可编程药物释放速率的药物递送系统

这将有助于减少患者服用药物的频率，并有助于在治疗期间保持药物在体内的适当浓度

为了展示这两种机制的高度可编程性，研究人员设计并测试了一种抗疟疾药物载体，该载体可以以任何编程速率释放药物

生物医学工程硕士生Achille Vigneault也是该研究的作者，他说：“通过设计分子手柄，我们开发了一种载体，可以通过简单添加激活分子快速立即释放药物。”

“在没有手柄的情况下，我们还开发了一种载体，可以在药物激活后提供可编程的缓慢连续释放。”

科学家们说，这些结果还揭开了这两种信号机制的独特进化作用和优势的神秘面纱，并解释了为什么一些蛋白质已经进化为通过一种机制而不是另一种机制被激活

Vallée-Bélisle说：“例如，需要快速激活以检测光线或感知气味的细胞受体可能受益于快速诱导的适应机制。”。“虽然持续数周的过程，如蛋白酶抑制，肯定会受益于较慢的构象选择机制。”