Agregarea macromoleculară influențează formarea picăturilor de ADN sintetic
Agregarea macromoleculară poate fi utilizată ca un instrument de proiectare pentru a controla formarea și organizarea picăturilor de ADN sintetic, conform unui studiu realizat de Institutul de Știință Tokyo.
Oamenii de știință au explorat această strategie inovatoare folosind nanostars de ADN și agenți de aglomerare polimerici pentru a imita mediul celular aglomerat. Rezultatele au arătat că aglomerarea a stimulat formarea picăturilor și a permis controlul asupra dimensiunii, interacțiunilor și organizării acestora. Aceste descoperiri ar putea sprijini dezvoltarea sistemelor artificiale de celule programabile.
Biomoleculele, cum ar fi proteinele și acizii nucleici, pot forma regiuni concentrate denumite condensate biomoleculare, care reglează diverse procese celulare. Totuși, interiorul celulei este, de asemenea, aglomerat cu alte macromolecule care pot influența proprietățile acestor condensate. Din acest motiv, cercetătorii sunt interesați să înțeleagă cum acest mediu aglomerat, care prezintă un fenomen cunoscut sub numele de aglomerare macromoleculară, afectează formarea, stabilitatea și organizarea acestor picături.
O echipă de cercetători de la Institutul de Știință Tokyo a investigat acest aspect folosind structuri nanomoleculare de ADN în formă de stea, denumite nanostars de ADN, care se autoasamblează în picături de ADN asemănătoare lichidului. Aceștia au creat un mediu molecular aglomerat care imita interiorul unei celule vii folosind agenți de aglomerare polimerici și au analizat modul în care acest mediu a influențat formarea, stabilitatea și organizarea picăturilor de ADN.
Studiul a fost coordonat de Masahiro Takinoue, împreună cu Naoki C. Yoshida, student absolvent la Institutul de Știință Tokyo, Dr. Mayu Shono de la Universitatea din Tokyo și Kenichi Yoshikawa de la Universitatea Doshisha. Lucrarea a fost disponibilă online pe 27 iulie 2026 și publicată în Volumul 6, Numărul 8 al revistei JACS Au pe 24 august 2026.
„Oferim o nouă strategie de design pentru construirea unor arhitecturi sofisticate de celule artificiale și rețele moleculare bazate pe auto-organizare programabilă”, a declarat Takinoue.
Nanostars se conectează prin secvențe de ADN complementare scurte numite capete lipicioase. Pe măsură ce nanostars interacționează între ele, pot suferi o separare de fază lichid-lichid, generând o fază de ADN concentrată, asemănătoare lichidului, care apare sub formă de picături. Fără agenți de aglomerare, cercetătorii au observat formarea picăturilor sub 63 °C, în timp ce răceau soluția de la 85 °C. Adăugarea agenților de aglomerare a încurajat formarea picăturilor la temperaturi mai ridicate.
Când cercetătorii au adăugat polietilen glicol (PEG), dextran sau Ficoll la o concentrație de 10%, picăturile s-au format la temperaturi mai ridicate de 76, 65 și 67 °C, respectiv. Acest lucru a demonstrat că aglomerarea moleculară a ajutat picăturile să se formeze mai ușor și să rămână stabile la temperaturi mai mari.
Printre agenții de aglomerare, PEG cu o greutate moleculară mare de 7,5 kDa a avut cel mai pronunțat efect, astfel că cercetătorii l-au selectat pentru experimente suplimentare pentru a investiga modul în care aglomerarea afectează formarea condensatelor de ADN. PEG stimulează formarea picăturilor, dar nu poate acționa singur. Când a fost adăugat la nanostars lipsiți de capete lipicioase, PEG nu a generat condensate, demonstrând că necesită interacțiuni prin capete lipicioase pentru a promova asamblarea nanostarilor.
Folosind PEG, cercetătorii au demonstrat că aglomerarea poate fi utilizată pentru a organiza diferite picături de ADN în structuri specifice. Pentru aceasta, au creat două tipuri de nanostars ale căror capete lipicioase nu puteau interacționa sau lega între ele.
În condiții normale, diferitele tipuri de nanostars formau picături separate care nu se amestecau sau fuzionau între ele. Cu toate acestea, când cercetătorii au adăugat PEG, efectul de aglomerare a adus picăturile în contact fără a provoca fuziunea acestora. Prin controlul concentrației de PEG, raportul diferitelor tipuri de nanostars și concentrația de sare, cercetătorii au putut controla modul în care picăturile interacționau și erau organizate, producând modele variind de la structuri alternative, asemănătoare rețelei, până la structuri mai complexe ce conțineau până la trei tipuri distincte de nanostars de ADN.
„Aceste descoperiri relevă faptul că aglomerarea macromoleculară nu este doar o caracteristică a mediului celular, ci și un parametru de proiectare puternic pentru ingineria condensatelor artificiale de ADN”, afirmă Takinoue.
Prin valorificarea aglomerării macromoleculare, cercetătorii ar putea dezvolta sisteme biomoleculare sintetice cu structuri și funcții controlate. „Principiile de design rezultate sunt așteptate să contribuie la dezvoltarea țesuturilor artificiale de celule, rețelelor de comunicare moleculară, sistemelor de calcul molecular și micro-mașinilor programabile, unde funcția emerge prin auto-organizarea controlată a componentelor biomoleculare”, spune Takinoue.
