La síntesis y autoorganización de macromoléculas biológicas es fundamental para la vida en la tierra. Los químicos de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich informan ahora de la aparición espontánea de macromoléculas complejas en forma de anillo con bajos grados de simetría en el laboratorio.

Monómeros moléculas que se componen de múltiples subunidades repetidas que pueden variar o no en su estructura química, se clasifican como macromoléculas o polímeros. Existen ejemplos en la naturaleza, incluyendo proteínas y ácidos nucleicos, que están en el corazón de todos los sistemas biológicos. Las proteínas no solo forman la base de los elementos estructurales de las células, también sirven como enzimas, que catalizan esencialmente todas las innumerables transformaciones químicas que tienen lugar en los sistemas vivos.

A diferencia de, Los ácidos nucleicos como el ADN y el ARN sirven como macromoléculas informativas. El ADN almacena la información genética de la célula, que se copia selectivamente en moléculas de ARN que proporcionan los planos para la síntesis de proteínas. Además, las cadenas largas compuestas por unidades de azúcar proporcionan reservas de energía en forma de glucógeno, que se almacena en el hígado y los músculos. Todas estas diversas clases de moléculas poliméricas tienen una característica en común:se pliegan espontáneamente en conformaciones espaciales características, por ejemplo, la famosa doble hélice de ADN, que en la mayoría de los casos son esenciales para sus funciones bioquímicas.

Profesor Ivan Huc (Departamento de Farmacia, LMU) estudia aspectos de los procesos de autoorganización que permiten a las macromoléculas adoptar formas plegadas definidas. Las estructuras moleculares que se encuentran en la naturaleza le proporcionan modelos, cuyas propiedades intenta reproducir en el laboratorio con moléculas no naturales que no son proteínas, ácidos nucleicos o similares al azúcar. Más específicamente, Utiliza las herramientas de la química sintética para dilucidar los principios subyacentes de la autoorganización, mediante la construcción de moléculas que están expresamente diseñadas para plegarse en formas predeterminadas. Comenzando con los monómeros que ha desarrollado su grupo, se propone producir lo que él llama 'plegadoras, "ensamblando los monómeros uno por uno para generar una macromolécula plegada.

Estructuras con bajos grados de simetría

"La forma normal de obtener la estructura compleja de las proteínas es utilizar diferentes tipos de monómeros, llamados aminoácidos, "como informa Huc." Y el método normal para conectar diferentes aminoácidos en el orden correcto es unirlos uno por uno ". La secuencia de aminoácidos contiene la información de plegado que permite que diferentes secuencias de proteínas se plieguen de diferentes maneras.

"Pero descubrimos algo inesperado y espectacular, "dice Huc. Él y sus colegas en Munich, Groninga, Burdeos y Berlín utilizaron productos orgánicos, monómeros que contienen azufre para obtener espontáneamente macromoléculas cíclicas con una forma compleja, como lo ilustra su bajo grado de simetría, sin requerir una secuencia específica. Las macromoléculas se auto-sintetizan, no son necesarias más condiciones. "Solo ponemos un tipo de monómero en un matraz y esperamos, "Dice Huc." Esto es típico de una reacción de polimerización, pero los polímeros de un solo monómero generalmente no adoptan formas complejas y no dejan de crecer en una longitud de cadena precisa ".

Para controlar aún más la reacción, los científicos también utilizaron una pequeña molécula huésped o un ión metálico. El regulador se une dentro de la macromolécula en crecimiento y hace que los monómeros se organicen alrededor de ella. Al elegir un regulador con las características adecuadas, los autores del nuevo estudio pudieron producir estructuras con un número predeterminado de subunidades. Las macromoléculas cíclicas exhibieron bajos niveles de simetría. Algunos consistían en 13, 17 o 23 subunidades. Desde el 13, 17 y 23 son números primos, las correspondientes formas plegadas exhiben bajos grados de simetría.

Un modelo para procesos biológicos e industriales

El interés en la elucidación de tales mecanismos no se limita al ámbito de la investigación básica. Huc y sus colegas esperan que su enfoque conduzca a la fabricación de plásticos de diseño. Los polímeros convencionales generalmente consisten en mezclas de moléculas que varían en longitud (es decir, el número de monómeros que contienen). Esta heterogeneidad repercute en sus propiedades físicas. Por eso, Se espera que la capacidad de sintetizar cadenas de polímeros de una longitud y / o geometría exactas conduzca a materiales con comportamientos novedosos e interesantes.

Es más, Los foldameros como los que ahora se han sintetizado muestran una gran semejanza estructural con los biopolímeros. Por tanto, ofrecen un sistema modelo ideal para estudiar las propiedades de las proteínas. Cada proteína está formada por una secuencia lineal definida (es decir, no ramificada) de aminoácidos, que constituye su "estructura primaria". Pero la mayoría de las cadenas de aminoácidos se pliegan en subestructuras locales como tramos enrollados helicoidalmente, o hebras paralelas que pueden formar láminas. Estas unidades representan la estructura secundaria de la proteína. El término 'estructura terciaria' se aplica a la cadena simple completamente plegada. Este a su vez puede interactuar con otras cadenas para formar una unidad funcional o estructura cuaternaria.

El objetivo final de Huc es imitar mecanismos biológicos complejos utilizando precursores sintéticos. Quiere entender como por ejemplo, las enzimas se pliegan en la forma correcta, conformación biológicamente activa después de su síntesis en células. Las moléculas cuyas propiedades pueden controlarse con precisión en el laboratorio proporcionan modelos ideales con los que encontrar las respuestas y, quizás, ir más allá de las propias enzimas.

El estudio se publica en Química de la naturaleza .