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科学家成功再现并用数学方法验证生命起源的两种分子语言

日期: 2023-08-21
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来源:cnBeta 2023/8/17

蒙特利尔大学的加拿大研究人员成功地再现并用数学方法证实了生命起源的两种分子语言。他们的突破性发现最近发表在《美国化学学会杂志》(Journal of American Chemical Society)上,为纳米技术的进步铺平了道路,为生物传感、药物输送和分子成像等领域提供了潜力。

科学家成功再现并用数学方法验证生命起源的两种分子语言

生物体是由数十亿个纳米机器和纳米结构组成的,它们通过交流创造出能够完成许多基本任务(如移动、思考、生存和繁殖)的高阶实体。

这项研究的主要研究者、UdeM 生物工程学教授 Alexis Vallée-Bélisle 说:'生命出现的关键在于分子语言(也称为信号传递机制)的发展,它们确保生物体内的所有分子协同工作,以完成特定任务。'

加拿大生物工程和仿生技术研究讲座教授瓦雷-贝利斯勒说:'以酵母菌为例,在检测到并结合交配信息素后,数十亿个分子将进行交流并协调它们的活动,以启动结合。随着我们进入纳米技术时代,许多科学家认为,设计和编程更复杂、更有用的人工纳米系统的关键在于我们能否理解和更好地运用生物体开发的分子语言。'

两种语言

一种著名的分子语言是异位语言。这种语言的机制是'锁-键':一种分子与另一种分子结合并改变其结构,引导其触发或抑制某种活动。

另一种鲜为人知的分子语言是多价性,也称为螯合效应。它的工作原理就像一个谜题:当一个分子与另一个分子结合时,只需增加其结合界面,就能促进(或不促进)第三个分子的结合。

科学家成功再现并用数学方法验证生命起源的两种分子语言

研究人员 Alexis Vallée-Bélisle(左)和 Dominic Lauzon(右)在使用 DNA 合成器设计化学语言。图片来源:Amélie Philibert | 蒙特利尔大学

虽然这两种语言存在于所有生物体的所有分子系统中,但科学家们直到最近才开始了解它们的规则和原理,并利用这些语言来设计和编程新颖的人工纳米技术。

Vallée-Bélisle说:'鉴于天然纳米系统的复杂性,在此之前,没有人能够在同一系统上比较这两种语言的基本规则、优势或局限性。'

为此,他的博士生、该研究的第一作者多米尼克-劳松(Dominic Lauzon)萌生了一个想法:创建一个基于DNA的分子系统,该系统可以同时使用这两种语言。'DNA就像纳米工程师的乐高积木,'劳松说。'它是一种非凡的分子,提供了简单、可编程、易使用的化学特性'。

用简单的数学公式检测抗体

研究人员发现,简单的数学方程可以很好地描述这两种语言,从而揭开了纳米生态系统内分子间通信的参数和设计规则。

例如,多价语言可以控制分子激活或失活的灵敏度和合作性,而相应的异位翻译只能控制反应的灵敏度。

有了这一新的认识,研究人员利用多价语言设计出了一种可编程抗体传感器,可以在不同浓度范围内检测抗体。

Vallée-Bélisle说:'正如最近的大流行病所显示的,我们精确监测普通人群中抗体浓度的能力是确定人们个人和集体免疫力的有力工具。除了扩大合成工具箱以创造下一代纳米技术外,科学家的发现还揭示了为什么一些天然纳米系统可能选择一种语言而不是另一种语言来交流化学信息。'


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