Se han recreado y validado matemáticamente dos lenguajes moleculares en el origen de la vida, gracias al trabajo pionero de científicos canadienses de la Universidad de Montreal.
El estudio, "Programación de la comunicación química:alosterio versus mecanismo multivalente", publicado el 15 de agosto de 2023 en el Journal of the American Chemical Society , abre nuevas puertas para el desarrollo de nanotecnologías con aplicaciones que van desde biodetección, administración de fármacos e imágenes moleculares.
Los organismos vivos están formados por miles de millones de nanomáquinas y nanoestructuras que se comunican para crear entidades de orden superior capaces de hacer muchas cosas esenciales, como moverse, pensar, sobrevivir y reproducirse.
"La clave para el surgimiento de la vida reside en el desarrollo de lenguajes moleculares, también llamados mecanismos de señalización, que garantizan que todas las moléculas de los organismos vivos trabajen juntas para lograr tareas específicas", afirmó el investigador principal del estudio, el profesor de bioingeniería de la UdeM, Alexis Vallée-Bélisle.
En las levaduras, por ejemplo, al detectar y unirse a una feromona de apareamiento, miles de millones de moléculas se comunicarán y coordinarán sus actividades para iniciar la unión, afirmó Vallée-Bélisle, titular de una Cátedra de Investigación de Canadá en Bioingeniería y Bionanotecnología.
"A medida que entramos en la era de la nanotecnología, muchos científicos creen que la clave para diseñar y programar nanosistemas artificiales más complejos y útiles depende de nuestra capacidad para comprender y emplear mejor los lenguajes moleculares desarrollados por organismos vivos", afirmó.
Un lenguaje molecular muy conocido es la alosteria. El mecanismo de este lenguaje es de "llave y cerradura":una molécula se une y modifica la estructura de otra molécula, dirigiéndola a desencadenar o inhibir una actividad.
Otro lenguaje molecular menos conocido es la multivalencia, también conocida como efecto quelato. Funciona como un rompecabezas:cuando una molécula se une a otra, facilita (o no) la unión de una tercera molécula simplemente aumentando su interfaz de unión.
Aunque estos dos lenguajes se observan en todos los sistemas moleculares de todos los organismos vivos, sólo recientemente los científicos han comenzado a comprender sus reglas y principios y, por lo tanto, a utilizar estos lenguajes para diseñar y programar nuevas nanotecnologías artificiales.
"Dada la complejidad de los nanosistemas naturales, hasta ahora nadie podía comparar las reglas básicas, las ventajas o las limitaciones de estos dos lenguajes en el mismo sistema", afirma Vallée-Bélisle.
Para ello, su estudiante de doctorado Dominic Lauzon, primer autor del estudio, tuvo la idea de crear un sistema molecular basado en el ADN que pudiera funcionar utilizando ambos lenguajes. "El ADN es como ladrillos de Lego para los nanoingenieros", afirmó Lauzon. "Es una molécula notable que ofrece una química simple, programable y fácil de usar".
Los investigadores descubrieron que ecuaciones matemáticas simples podrían describir ambos lenguajes, lo que desentrañó los parámetros y las reglas de diseño para programar la comunicación entre moléculas dentro de un nanosistema.
Por ejemplo, mientras que el lenguaje multivalente permitía el control tanto de la sensibilidad como de la cooperatividad de la activación o desactivación de las moléculas, la correspondiente traducción alostérica sólo permitía el control de la sensibilidad de la respuesta.
Con esta nueva comprensión a la mano, los investigadores utilizaron el lenguaje de la multivalencia para diseñar y diseñar un sensor de anticuerpos programable que permita la detección de anticuerpos en diferentes rangos de concentración.
"Como ha demostrado la reciente pandemia, nuestra capacidad de controlar con precisión la concentración de anticuerpos en la población general es una herramienta poderosa para determinar la inmunidad individual y colectiva de las personas", afirmó Vallée-Bélisle.
Además de ampliar la caja de herramientas sintéticas para crear la próxima generación de nanotecnología, el descubrimiento del científico también arroja luz sobre por qué algunos nanosistemas naturales pueden haber seleccionado un lenguaje sobre otro para comunicar información química.
Más información: Dominic Lauzon et al, Programación de la comunicación química:alosterio versus mecanismo multivalente, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2023). DOI:10.1021/jacs.3c04045
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por la Universidad de Montreal
