Молекули-гості прорізають краплі ДНК у вигляді хвилі — прорив у розумінні клітинних процесів.
Науковці з Йоганнесс Ґутенберзького університету в Майнці (JGU), Інституту полімерних досліджень Макса Планка та Техаського університету в Остіні виявили нову форму молекулярного руху, яка може змінити наше уявлення про біологічні процеси.
Коли так звані «молекули-гості» — тобто молекули, які тимчасово входять до складу інших структур — потрапляють у краплі з полімерів ДНК, вони не поширюються випадково, як передбачає класична дифузія. Натомість вони рухаються чітко окресленим фронтом, подібно до хвилі, що проходить крізь матеріал.
«Ми зовсім не очікували побачити такий ефект», — зазначає Вейсян Чен з кафедри хімії JGU, один з ключових учасників дослідження.
Це відкриття, опубліковане в журналі Nature Nanotechnology, має потенціал для революції в нашому розумінні того, як клітини передають сигнали та впорядковують біохімічні процеси. Знання також можуть сприяти розвитку розумних біоматеріалів, нових мембранних технологій, програмованих систем доставки ліків і навіть синтетичних клітин.
Молекулярна хвиля замість дифузії
У більшості випадків молекули в рідинах поширюються шляхом звичайної дифузії. Наприклад, коли додати барвник у воду, він поступово розтікається, утворюючи плавні градієнти. Але у випадку крапель з ДНК усе відбувається інакше.
«Молекули рухаються впорядковано, формуючи своєрідну рухому межу або хвилю, що суперечить традиційним уявленням», — пояснює професор Андреас Вальтер, керівник проєкту з JGU.
Науковці працювали з біомолекулярними конденсатами — краплями, утвореними тисячами молекул ДНК. Такі краплі схожі на структури, які утворюються у живих клітинах і організовують біохімічні процеси без мембран. Їхні властивості можна точно регулювати, змінюючи послідовність ДНК або склад середовища, наприклад, концентрацію солей.
«Ці синтетичні краплі — чудова модельна система для моделювання та вивчення природних процесів», — наголошує Чен.
Взаємодія «за принципом ключа і замка»
Дослідники ввели спеціально створені молекули гостьової ДНК, які можуть розпізнавати та зв’язуватись із внутрішньою структурою крапель. Саме ці взаємодії й зумовили нетиповий “хвильовий” рух.
Механізм базується на ослабленні локальної щільності матеріалу, внаслідок чого певні зони стають більш текучими та рухливими. Хвиля просувається лінійно, наче фронт, завдяки хімічному зв’язуванню, перебудові матеріалу та програмованим ДНК-взаємодіям.
«Це новий тип організації руху у м’якій матерії, який ми ніколи раніше не спостерігали», — додає Чен.
Шанс на нове розуміння клітин і хвороб
Отримані результати мають значення не лише для фізики м’якої речовини, але й для біомедицини. Вони можуть допомогти розкрити, як клітини координують передачу сигналів та внутрішньоклітинні процеси.
«Це може виявитися однією з відсутніх ланок у розумінні того, як клітини організовують сигнали на молекулярному рівні», — зазначає Вальтер.
Зокрема, відкриття може бути корисним для досліджень нейродегенеративних захворювань, у яких білки утворюють патологічні агрегати. У таких випадках динамічні біоконденсати з часом “старіють” і формують фібрилярні структури, пов’язані з хворобами, як-от Альцгеймер. За словами Вальтера, нові знання можуть у майбутньому відкрити шляхи для контролю таких процесів і розробки нових методів лікування.
Це відкриття — приклад того, як фундаментальна наука відкриває двері до практичних застосувань у медицині, біотехнологіях та наноматеріалах.