Cercetătorii combină două nanomachines pentru a crea rețele de ADN asemănătoare vieții
Inspirându-se din arhitectura dinamică a sistemelor vii, cercetătorii de la Institutul de Știință Tokyo și Universitatea Kyoto au folosit două nanomachines biomoleculare alimentate chimic, ADN polimerază și kinesină, pentru a sintetiza și asambla activ rețele complexe de ADN.
Acest studiu deschide o cale către materiale sintetice programabile, asemănătoare cu cele vii, construite de la scară nanometrică.
Nanomachines biomoleculare, cum ar fi enzimele și motoarele moleculare, sunt esențiale în sinteza și organizarea materialelor complexe în viață. Acestea, alimentate de energie chimică, construiesc, transportă și organizează biomolecule, permițând sistemelor vii să creeze și să mențină structuri foarte ordonate, departe de echilibrul termodinamic.
În sistemele vii, sinergia mai multor nanomachines care efectuează pași secvențiali, consumatori de energie, este crucială pentru construirea structurilor ordonate. Însă, replicarea unei astfel de asamblări chimice și mecanice de jos în sus prin mijloace artificiale rămâne o provocare. Deși componentele individuale au avansat în robotică moleculară, inclusiv motoare moleculare bazate pe proteine care oferă transport activ pentru a depăși limitele de difuziune, conectarea muncii mai multor nanomachines într-un proces pas cu pas s-a dovedit a fi mult mai dificilă.
Într-un studiu recent, o echipă de cercetare condusă de Shogo Hamada de la Departamentul de Informatică, Școala de Calcul, Institutul de Știință Tokyo, în colaborare cu profesorul Akira Kakugo de la Universitatea Kyoto, a dezvoltat un sistem care formează dinamic materiale de rețele de acid deoxiribonucleic (ADN) printr-un proces de asamblare de jos în sus, condus de două tipuri de nanomachines biomoleculare, ADN polimerază și motoare moleculare. Studiul a fost disponibil online pe 11 iunie 2026 și publicat în Volumul 22, Numărul 36 al revistei Small pe 26 iunie 2026, marcând un pas important în construirea materialelor nonerozionale care imită modul în care sistemele vii se organizează.
Inspirându-se din sinergia sistemelor moleculare cooperative întâlnite în natură, echipa a conceput un proces în două etape pentru a sintetiza și asambla materiale la scară nanometrică. În prima etapă, ADN polimerază a amplificat șabloanele de ADN atașate la microtubuli prin amplificare în cerc (RCA), crescând astfel lanțuri lungi de ADN direct pe microtubuli. Apoi, proteinele motor kinesină fixate pe un substrat au consumat adenosin trifosfat (ATP) pentru a propulsa microtubulii care transportau ADN-ul pe suprafață. Când microtubulii în mișcare au intrat în contact, lanțurile de ADN aflate pe aceștia s-au conectat. Pe măsură ce microtubulii se deplasau, aceștia întindeau și trăgeau lanțurile de ADN unite, rezultând o rețea de arhitecturi organizate, asemănătoare fibrelor.
Experimentele ulterioare au confirmat că activitatea motorului este esențială pentru proces. Nu s-au format rețele de ADN în absența kinesinei sau când ATP-ul a fost epuizat, deoarece motoarele depind de ATP pentru a funcționa. Echipa a identificat, de asemenea, condiții care controlează formarea rețelei. O creștere a densității microtubulilor și a timpului de sinteză a ADN-ului a dus la rețele cu o conectivitate și complexitate structurală mai mare.
Descoperirile experimentale au fost susținute de studii de simulare. Fără o forță activă, lanțurile model care imitau ADN-ul s-au pliat în stări compacte; totuși, cu propulsie asemănătoare motoarelor, mai multe lanțuri s-au desfăcut activ și s-au conectat, reproducând calitativ arhitecturile rețelei observate în experimente.
Mai general, studiul oferă un cadru pentru investigarea modului în care mai multe procese biomoleculare active pot coopera pentru a construi structuri de ordine superioară. Deși studiul nu cuantifică încă energia chimică consumată și disipată în timpul asamblării, constatările arată că mișcarea moleculară activă este un motor cheie al formării rețelei, un pas spre materiale care se asamblează și se organizează la fel ca sistemele vii.
„Prin cuplarea sintezei moleculare cu generarea de forță mecanică, am făcut un pas crucial către crearea de materiale sintetice care imită strategiile de construcție dinamice ale sistemelor vii. Vizionăm acest cadru de jos în sus ca fiind cheia pentru materiale dinamice, programabile și asemănătoare vieții, cu caracteristici de auto-reparare, auto-susținere și auto-evoluție, care ar putea avea aplicații în lumea reală, inclusiv în calculul molecular și robotică moleculară.”
