加拿大化学家通过分解它们来创造纳米机器

Lauzon和 Vallée-Bélisle 发现，分子纳米机器的功能可以通过将它们分解成多个组件来有效地进化。该图说明了使用一个绿色组件（顶部）制造纳米机器如何导致一个简单的功能单元，而使用三个组件（蓝色、橙色和绿色）制造类似的纳米机器如何允许创建具有新颖调节特性的功能单元（例如，更多或不太敏感——即合作或反合作——以及计时器功能）。学分：凯特琳·莫尼

“每一个创造行为，”毕加索的名言，“首先是一种破坏行为。”

从字面上理解这个概念，加拿大的研究人员现在发现，“打破”生命基本的分子纳米机器可以创造出更好用的新机器。

他们的发现今天发表在《自然化学》上。

经过数百万年的演化

数百万年进化而来的数以万计的纳米机器使地球上的生命成为可能。它们通常由蛋白质或核酸组成，通常包含数千个原子，并且小于人类头发大小的 10,000 倍。

“这些纳米机器控制着我们体内的所有分子活动，它们的调节或结构问题是大多数人类疾病的根源，”这项新研究的首席研究员、蒙特利尔大学化学教授 Alexis Vallée-Bélisle 说。

图形概要。图片来源：自然化学(2023)。

加拿大生物工程和生物纳米技术研究主席 Vallée-Bélisle 研究了这些纳米机器的构建方式，注意到虽然有些是使用单个组件或部分（通常是长生物聚合物）制造的，但其他一些使用自发组装的多个组件.

Vallée-Bélisle 说：“由于我的大多数学生一生都在制造纳米机器，因此我们开始怀疑使用一种或多种自组装分子组件来制造它们是否更有益。”

一个“破坏性”的想法

为了探索这个问题，他的博士生 Dominic Lauzon 产生了一个“破坏性”的想法，即分解一些纳米机器，看看它们是否可以重新组装。为此，他制造了基于 DNA 的人工纳米机器，这些机器可以通过分解来“摧毁”。

“DNA 是一种非凡的分子，它提供了简单、可编程且易于使用的化学反应，”该研究的第一作者 Lauzon 说。“我们相信基于 DNA 的纳米机器可以帮助回答有关自然和人造纳米机器的创造和进化的基本问题。”

Lauzon 和 Vallée-Bélisle 花了数年时间进行实验验证。他们能够证明纳米机器可以轻松承受碎片，但更重要的是，这种破坏性事件允许创建各种新颖的功能，包括对成分浓度、温度和突变变化的不同灵敏度水平。

研究人员发现，这些功能可以简单地通过控制每个单独组件的浓度来产生。例如，当将纳米机器切割成三个组件时，发现纳米机器在高浓度组件下更敏感地激活。相比之下，在成分浓度较低的情况下，可以对纳米机器进行编程，使其在特定时刻及时激活或停用，或者简单地抑制其功能。

“总的来说，这些新颖的功能是通过简单地切割或破坏现有纳米机器的结构而创建的，”Lauzon 说。“这些功能可以极大地改善以人为基础的纳米技术，例如传感器、药物载体甚至分子计算机。”

不断发展的新功能

正如毕加索通常会破坏数十件未完成的作品来创作他著名的艺术作品，就像肌肉需要分解才能变得更强壮一样，创新型新公司是通过从市场上淘汰老牌竞争对手而诞生的，纳米级机器可以通过被采用来进化出新的功能分开。

与手机、电视和汽车等普通机器不同，这些机器是通过使用螺钉和螺栓、胶水、焊料或电子设备组合部件制成的，“纳米机器依赖于数千种可以自发重组的弱动态分子间力，使破碎的纳米机器能够重新组装”Vallée-Bélisle 说。

除了为纳米技术研究人员提供创建下一代纳米机器的简单设计策略外，UdeM 团队的发现还揭示了天然分子纳米机器可能是如何进化的。

“生物学家最近发现，大约 20% 的生物纳米机器可能是通过基因碎片进化而来的，”Vallée-Bélisle 说。“根据我们的研究结果，生物学家现在有了一个合理的基础来理解这些祖先蛋白质的碎片化如何为地球上的生命创造新的分子功能。”