Un investigador posdoctoral del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de CUNY (CUNY ASRC) ha dado un paso importante hacia la comprensión de cómo las mezclas complejas de bloques de construcción biomoleculares forman patrones autoorganizados.

El descubrimiento, detallado en un nuevo artículo publicado en la revista Chem y escrito por Ankit Jain, miembro del laboratorio del director de la Iniciativa de Nanociencia de CUNY ASRC, Rein Ulijn, proporciona nuevos conocimientos sobre las funciones biológicas adaptativas, que podrían ser críticas en el diseño de nuevos materiales y tecnologías con capacidades y atributos similares.

"Todas las formas de vida comienzan con los mismos conjuntos conservados de bloques de construcción, que incluyen los 20 aminoácidos que forman las proteínas", dijo Jain. "Descubrir cómo las mezclas de estas moléculas se comunican, interactúan y forman patrones de autoorganización mejoraría nuestra comprensión de cómo la biología crea funcionalidad. Esta comprensión también podría dar lugar a formas completamente nuevas de crear materiales y tecnologías que incorporen procesos vitales como la adaptación, creciendo, sanando y desarrollando nuevas propiedades cuando sea necesario".

Jain adoptó un nuevo enfoque sintético para comenzar a descubrir cómo las mezclas de biomoléculas complejas interactúan y se adaptan colectivamente a los cambios en su entorno. En lugar de tratar de desentrañar la organización molecular en los sistemas existentes, como los que se encuentran en las células biológicas, abordó el problema en un tubo de ensayo creando mezclas con componentes diseñados para reaccionar e interactuar. Luego, Jain rastreó y observó la aparición de patrones cada vez más complejos que las biomoléculas formaron espontáneamente en respuesta a los cambios en su entorno.

"Las mezclas complejas de moléculas que interactúan son fundamentales para los procesos de la vida, pero no se estudian comúnmente en los laboratorios de química porque son desordenadas, muy complicadas y difíciles de estudiar y comprender", dijo Ulijn. "El diseño sistemático de mezclas y el seguimiento de su comportamiento nos permite hacer observaciones fundamentales sobre cómo las mezclas de moléculas se convierten en colectivos funcionales. Pudimos detallar cómo estos sistemas químicos absorben los cambios en las condiciones externas para formar patrones específicos de acumulación y descomposición. También descubrió que los sistemas con tantas variables muestran un comportamiento estocástico, por lo que, si bien la formación general de patrones parece similar cuando se ejecutan múltiples experimentos, los detalles precisos en dos experimentos independientes son diferentes".

El experimento de Jain comenzó con la mezcla de varios dipéptidos seleccionados, que son compuestos minimalistas similares a proteínas compuestos por dos aminoácidos. Estos conjuntos de dipéptidos (diseñados en función de su capacidad para agregarse e interactuar) también contenían un catalizador que permitía que los dipéptidos se recombinaran dinámicamente y formaran péptidos con patrones de interacción más complejos. El sistema más complejo estudiado en este artículo comenzó con 15 dipéptidos diferentes, que se combinan de forma reversible para formar 225 tetrapéptidos únicos. Entonces fue posible para Jain rastrear la formación y descomposición de péptidos de diferente secuencia dentro de las mezclas. Observó que sus patrones de interacción estaban fuertemente dictados por las condiciones ambientales.

Esclarecer la autoorganización molecular a través de patrones jerárquicos de interacciones covalentes y no covalentes es clave para comprender cómo surgen las funciones biológicas relevantes para la vida. El nuevo enfoque de abajo hacia arriba permite a los investigadores comprender, por primera vez, las características del conjunto y, al mismo tiempo, proporciona una resolución molecular de la información. El trabajo demuestra que las mezclas de moléculas simples demuestran una selección de secuencia espontánea, lo que puede proporcionar información sobre los orígenes químicos de la función biológica. En general, es probable que el diseño de sistemas adaptativos basados ​​en mezclas de múltiples componentes conduzca al descubrimiento de cómo los patrones dictan la formación de materiales funcionales reconfigurables que son prometedores para futuras tecnologías bioinspiradas. + Explora más

Revelando mezclas tautoméricas