Οι επιστήμονες μαθαίνουν τα σχοινιά στο δέσιμο των μοριακών κόμβων

Ο κόσμος είναι δεμένος σε κόμπους. Σχηματίζονται αυθόρμητα σε στροβιλιζόμενες δίνες καπνού, σε μακριά νήματα ή μαλλιά και στα κορδόνια των ακουστικών που με κάποιο τρόπο πάντα μπλέκονται στην τσέπη κάποιου. Ακόμη και σε μοριακή κλίμακα, εμφανίζονται στις μακριές αλυσίδες που συνθέτουν κάποιες πρωτεΐνες και όταν προκύπτουν στις στροφές και τις σπείρες του DNA, τα ένζυμα πρέπει να βοηθήσουν στο ξετύλιγμά τους. Οι βιοφυσικοί μελετούν αυτούς τους κόμβους για να καταλάβουν πώς φτάνουν εκεί και πώς συμβάλλουν στη συμπεριφορά αυτών των μορίων.

Οι χημικοί, εν τω μεταξύ, έχουν στρέψει την προσοχή τους σε μοριακούς κόμβους της δικής τους κατασκευής:μικρότερες συνθετικές κατασκευές συναρμολογημένες από ενωμένα θραύσματα αντί δεμένες σε μια ενιαία συνεχή βιομοριακή χορδή. Στα εργαστήριά τους, συνθέτουν με κόπο τέτοιους μικροσκοπικούς κόμπους, επιτυγχάνοντας κλιμακούμενα επίπεδα πολυπλοκότητας, με την ελπίδα να εκμεταλλευτούν τελικά τις μοναδικές τοπολογίες των κόμβων σε νέα νανοεργαλεία, φαρμακευτικά προϊόντα και νέα υλικά με επιθυμητές ιδιότητες. Ο πιο πρόσφατος - και πιο περίπλοκος - κόμπος που εντάχθηκε σε αυτές τις τάξεις, μια σύνθετη δομή που αποτελείται από τρεις απλούστερους κόμβους, αναφέρθηκε τον περασμένο μήνα στο Nature Chemistry και χρειάστηκαν χρόνια για να κατασκευαστεί.

Τον Αύγουστο, άλλοι ερευνητές δημοσίευσαν μια θεωρητική εργασία στο Nature Communications που καταγράφηκε ποιοι κόμβοι θα πρέπει να επιδιώξουν να κάνουν στη συνέχεια οι χημικοί. Ελπίζουν ότι η εργασία θα δώσει πληροφορίες για το τι διέπει την ικανότητα των μικρών τεχνητών κόμβων να συναρμολογούνται αυθόρμητα — και θα τους βοηθήσει να καταλάβουν πόσο περίπλοκοι μπορεί να είναι αυτοί οι κόμβοι.

Και παρά τις σημαντικές διαφορές μεταξύ αυτών των σχεδίων και των κόμβων που βρίσκονται στο DNA και τις πρωτεΐνες, ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι η ανάλυση των συνθετικών συστημάτων θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει στην κατανόηση του κόμπου σε βιολογικά πλαίσια.

Knot Zoos in the Lab

Για τους μαθηματικούς, ένας κόμπος σημαίνει κάτι σαν έναν συνηθισμένο κόμπο δεμένο σε κορδόνι, μόνο τα άκρα του κορδονιού συνδέονται στη συνέχεια έτσι ώστε το κουβάρι να μην μπορεί να χαλαρώσει. Πιο τυπικά, είναι μια κλειστή καμπύλη, ενσωματωμένη σε τρισδιάστατο χώρο, που δεν τέμνεται από μόνη της και δεν μπορεί να αναχθεί σε έναν απλό βρόχο. Οι κόμβοι μπορούν να αναπαρασταθούν ως επίπεδες προβολές, δισδιάστατα σχέδια με "διασταυρώσεις" όπου ένα μέρος του νήματος περνά πάνω ή κάτω από ένα άλλο. Δύο κόμβοι θεωρούνται ίδιοι εάν ο ένας μπορεί να μετατοπιστεί και να περιστραφεί για να σχηματιστεί ο άλλος χωρίς να αλλάξει η θεμελιώδης τοπολογία του.

Οι μαθηματικοί ταξινομούν τους κόμβους ταξινομώντας τους σύμφωνα με τον ελάχιστο αριθμό διελεύσεών τους. Μετά το «unknot» (κύκλος) έρχεται ο πιο απλός κόμπος, ένας με τρεις διασταυρώσεις, γνωστός ως τρίφυλλο. (Οι κόμποι με ένα ή δύο διασταυρώσεις είναι τοπολογικά ισοδύναμοι με τον χωρίς κόμπο.) Στη συνέχεια, υπάρχει ένας με τέσσερις διασταυρώσεις, δύο με πέντε διασταυρώσεις, τρεις με έξι διασταυρώσεις, επτά με επτά διασταυρώσεις…. Αυτοί οι αριθμοί τότε εκρήγνυνται:Υπάρχουν 165 κόμβοι με 10 διασταυρώσεις, και για 16 διασταυρώσεις, υπάρχουν πάνω από ένα εκατομμύριο. Επιπλέον, οι κόμβοι μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με συγκεκριμένους τρόπους για να σχηματίσουν σύνθετους κόμβους.

Οι χημικοί θέλουν οι δικές τους δημιουργίες να επιτύχουν λίγη από αυτή την πολυπλοκότητα, αλλά η εξέλιξη ήταν αργή. Κατασκεύασαν τον πρώτο μοριακό κόμπο - το τρίφυλλο - το 1989, και για δεκαετίες, αυτό ήταν. «Μας φαινόταν μια μη ικανοποιητική κατάσταση», είπε ο David Leigh, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στην Αγγλία. "Ακριβώς όπως στον κόσμο των ψαράδων ή των ορειβατών, [όπου] διαφορετικοί κόμβοι έχουν διαφορετικές λειτουργίες, το ίδιο ισχύει και στον μοριακό κόσμο."

Η δυνατότητα κατασκευής πιο περίπλοκων κόμβων θα βοηθήσει, τουλάχιστον, τους ερευνητές να διερευνήσουν πώς οι κόμβοι επηρεάζουν την αντοχή, την ευελιξία και άλλα χαρακτηριστικά των υλικών και να προσδιορίσουν ποιοι ταιριάζουν καλύτερα σε ποιους σκοπούς. Ορισμένοι ειδικοί προβλέπουν ένα μέλλον στο οποίο οι κόμποι θα μπορούσαν να υφαίνονται μαζί για να σχηματίσουν λειτουργικά υλικά με ανθεκτικές στη θερμότητα ή καταλυτικές ιδιότητες. Άλλοι ελπίζουν ότι μια μέρα θα χρησιμοποιήσουν μικροσκοπικούς κόμπους ως φωλιές για την ασφαλή μεταφορά μορίων φαρμάκων ή άλλου μικρού φορτίου.

«Η δημιουργία μοριακών κόμβων είναι ο καλύτερος τρόπος με τον οποίο οι χημικοί μπορούν να δείξουν ότι έχουν κατακτήσει πραγματικά τους μοριακούς νόμους», δήλωσε ο Cristian Micheletti, υπολογιστικός βιοφυσικός στο International School for Advanced Studies στην Ιταλία και επικεφαλής της ομάδας που δημοσίευσε το Nature Communications χαρτί. "Είναι σαν μια πνευματική παιδική χαρά" στην οποία οι ερευνητές μπορούν να δοκιμάσουν την ικανότητά τους.

Και έτσι ο Leigh και άλλοι έχουν δημιουργήσει πιο περίτεχνα είδη κόμβων, χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένα θραύσματα και ένα ιοντικά φορτισμένο μοριακό ικρίωμα που μπορεί να τους τοποθετήσει για να ενωθούν. Με αυτόν τον τρόπο, ο Leigh πέτυχε πιο πρόσφατα να δημιουργήσει τους δύο πιο σύνθετους κόμβους μέχρι σήμερα:έναν κόμπο με οκτώ σταυρούς και έναν σύνθετο, εννιά σταυρό. Αυτήν τη στιγμή εφαρμόζει την ίδια στρατηγική για τη σύνθεση νέων διαμορφώσεων.

Ιδανικά, ωστόσο, οι επιστήμονες θα ήταν σε θέση να εξερευνήσουν τέτοιες διαμορφώσεις πιο συστηματικά μέσω της κατανόησης των γενικών προτύπων κόμπων και των αρχών της κατευθυνόμενης αυτοσυναρμολόγησης. Αυτό είναι που ο Micheletti και οι συνεργάτες του προσπάθησαν να κάνουν εφικτό.

Ένας νέος πίνακας κόμπων

Η ομάδα του Micheletti ήθελε να διερευνήσει ποιοι κόμποι θα μπορούσαν να συντεθούν πιο εύκολα. Χρησιμοποίησαν απλά υπολογιστικά μοντέλα για να συρράψουν τρία, τέσσερα ή πέντε πανομοιότυπα θραύσματα μιας έλικας μεταξύ τους σε κλειστές αλυσίδες και στη συνέχεια μετακινούσαν τα θραύσματα χωρίς να σπάσουν τις συνδέσεις τους. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές δημιούργησαν χιλιάδες πιθανές διαμορφώσεις. Στη συνέχεια προσδιόρισαν ποια είδη κόμβων είχαν εμφανιστεί και επέλεξαν αυτούς που είχαν έναν ορισμένο βαθμό συμμετρίας — κάτι κοινό με τους χούφτας μοριακούς κόμβους που οι χημικοί μπόρεσαν να δημιουργήσουν μέχρι τώρα.

Αυτό τους άφησε μόνο με ένα μικρό ρεπερτόριο από κόμβους - κόμβους που σε περαιτέρω προσομοιώσεις όντως αυτοσυναρμολογούνταν πιο συχνά. Ανάμεσά τους ήταν οι περισσότεροι από τους κόμβους που είχαν κατασκευαστεί πειραματικά μέχρι σήμερα, καθώς και νέοι υποψήφιοι για σύνθεση που περιλάμβαναν έναν κόμπο 10 και 15 σταυρού.

Το πιο αξιοσημείωτο, ωστόσο, ήταν η ανακάλυψη ότι οι απλούστεροι κόμποι δεν είναι πάντα πιο εύκολο να γίνουν. Ο επόμενος κόμπος που εμφανίστηκε μετά από πέντε διασταυρώσεις, για παράδειγμα, δεν περιείχε έξι διασταυρώσεις αλλά μάλλον οκτώ. Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι η προσθήκη διασταυρώσεων μερικές φορές προσέφερε μια συμμετρία κόμπων που θα έκανε ευκολότερη τη σύνθεση. Αυτό συνέβη για έναν από τους οκτώ κόμβους που αποκάλυψε το έργο:Τοπολογικά ισοδυναμεί με έναν με τέσσερις διασταυρώσεις — αλλά η έκδοση με τέσσερις σταυρούς είναι πιο δύσκολο να γίνει.

Δουλεύοντας από έναν άλλο τρόπο αναπαράστασης των κόμβων σε δύο διαστάσεις, που ονομάζονται διαγράμματα πλεξούδας (τα οποία υπογραμμίζουν τις κυκλικές πτυχές του τρόπου με τον οποίο ένα νήμα στρίβει σε κόμπο), ο Micheletti και η ομάδα του μπόρεσαν να γενικεύσουν τα ευρήματά τους σε μεγαλύτερους αριθμούς δομικών στοιχείων και μεγαλύτερους βαθμούς της «διαπλοκής». Αυτό με τη σειρά του επέτρεψε στους ερευνητές να σχεδιάσουν ένα νέο είδος πίνακα αναφοράς για κόμβους.

Ο Micheletti αναγνωρίζει ότι ο «ζωολογικός κήπος» του κάνει ορισμένες υποθέσεις που περιορίζουν το εύρος του — για παράδειγμα, ότι οι κόμβοι θα αποτελούνται μόνο από πανομοιότυπα δομικά στοιχεία. Ωστόσο, το έργο του μπορεί να αρχίσει να καθοδηγεί τις περαιτέρω προσπάθειες σύνθεσης των χημικών.

Αυτό ισχύει και για άλλες θεωρητικές προσπάθειες. Μια ομάδα, με επικεφαλής τον Ivan Coluzza, έναν υπολογιστικό βιοφυσικό που μελετά την αναδίπλωση πρωτεϊνών στο Basque Foundation for Science στην Ισπανία, χρησιμοποιεί το έργο του Micheletti ως αναφορά σε δοκιμές για το πώς η προσθήκη νέων αλληλουχιών αμινοξέων σε μοντέλα παρόμοια με πρωτεΐνη επηρεάζει το θεμελιώδες φάσμα των κόμβων που προκύπτουν σε αυτά. Η εργασία, που δημοσιεύθηκε νωρίτερα αυτό το μήνα, έχει προτείνει ότι οι ραχοκοκαλιές με κόμπους είναι τόσο σπάνιοι σε πρωτεΐνες λόγω του αριθμού των τύπων αμινοξέων που είναι διαθέσιμοι για χρήση:Με ένα αλφάβητο 20 γραμμάτων στη διάθεσή τους, οι πρωτεΐνες είναι λιγότερο πιθανό να σχηματίσουν κόμπους αυθόρμητα από ό,τι είναι όταν το αλφάβητό τους αποτελείται από μόνο, ας πούμε, τρία γράμματα.

Μια βιολογική παιδική χαρά

Συνεχίζοντας να συνθέτουμε μια ποικιλία από κόμβους στο εργαστήριο, μπορεί να είναι δυνατό να προσδιοριστεί πώς οι κόμβοι αυτοσυναρμολογούνται και τι κάνουν οι κόμβοι στις ιδιότητες των συντιθέμενων κλώνων. Και ίσως, μερικές από αυτές τις ιδέες θα μπορούσαν μια μέρα να βοηθήσουν τους βιοφυσικούς να μάθουν για το τι κάνουν οι κόμβοι στο DNA, τις πρωτεΐνες ή άλλα μόρια στα οποία αναδύονται φυσικά. (Μερικοί ερευνητές, για παράδειγμα, υποψιάζονται ότι οι κόμβοι προσδίδουν μεγαλύτερη σταθερότητα στον μικρό αριθμό πρωτεϊνών στις οποίες βρίσκονται, αλλά δεν το έχουν ακόμη αποδείξει.)

Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι οι διαδικασίες αυτοσυναρμολόγησης που χρησιμοποιούν οι Leigh και Micheletti είναι αρκετά διαφορετικές από αυτές που παράγουν βιομόρια στη φύση. Πειραματικά ή υπολογιστικά, ο Leigh και ο Micheletti κολλούν μαζί μικρά κομμάτια υλικού για να αποκτήσουν τους κόμπους τους και η γεωμετρία αυτών των κομματιών περιορίζει το τι μπορεί να σχηματιστεί. Αντίθετα, οι βιολογικοί κόμβοι σχηματίζονται όταν μια χορδή πλήρους μήκους — νουκλεοτιδικών βάσεων στο DNA, για παράδειγμα, ή αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη — κάμπτεται και περνά μέσα από τον εαυτό της για να δημιουργήσει οποιαδήποτε από έναν τεράστιο αριθμό δομών.

Ωστόσο, ο Leigh και οι συνάδελφοί του ελπίζουν ότι η συνθετική τους εργασία - μόλις φτάσει σε ένα επαρκές επίπεδο πολυπλοκότητας - θα μπορούσε να βελτιώσει την κατανόηση των επιστημόνων σχετικά με τον κόμπο στη βιολογία. Τουλάχιστον, «εντοπίζοντας αυτούς τους κόμβους που είναι πιο πιθανό να εμφανιστούν… δίνει σε εμάς τους βιολόγους κάτι να αναζητήσουμε», είπε η Lynn Zechiedrich, μοριακός βιολόγος που μελετά τη δομή και τη λειτουργία του DNA στο Baylor College of Medicine. Με την τρέχουσα τεχνολογία απεικόνισης, τελικά, ήταν δύσκολο να επιβεβαιωθούν οι δομές των πολύ περίπλοκων βιολογικών κόμβων. Πάρτε μη συμπυκνωμένα χρωμοσώματα, τα οποία μοιάζουν με ένα κουβάρι από μακαρόνια:Μπορεί να φιλοξενούν «αυτούς τους εξαιρετικά περίπλοκους κόμπους [από το τραπέζι του Micheletti]», είπε ο Zechiedrich. "Απλώς δεν έχουμε την απόφαση να το δούμε."

«Ο Micheletti δείχνει ότι υπάρχουν απλοί τρόποι δημιουργίας σχετικά περίπλοκων κόμπων. Και αυτό μπορεί να μας δώσει μια υπόδειξη ότι ίσως η φύση μπορεί να χρησιμοποιεί παρόμοιους τρόπους για να δημιουργήσει μόρια με κόμπους», πρόσθεσε ο Piotr Szymczak, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας. Θα μπορούσε επίσης να παρέχει πληροφορίες σχετικά με το εάν είναι δυνατό να ληφθούν πιο περίπλοκες τοπολογίες στον φυσικό κόσμο. Πόσο περίπλοκο σχήμα μπορεί να έχει ένα σύστημα κόμπων και να συναρμολογείται ακόμα μόνο του, και εμφανίζεται και στα βιομόρια;

Ο Leigh, για παράδειγμα, μπορεί ήδη να έχει αρχίσει να βλέπει να εμφανίζονται κάποιες υποδείξεις στα τεχνητά του συστήματα (αν και προειδοποιεί ότι αυτά τα αποτελέσματα δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί σε βιολογικά συστήματα). Για παράδειγμα, αυτός και η ομάδα του παρατήρησαν μια συσχέτιση μεταξύ της στεγανότητας των κόμβων και του πόσο έντονη είναι η χειρομορφία τους (ορισμένοι κόμβοι είναι χειρόμορφοι, που σημαίνει ότι δεν μπορούν ποτέ να περιστραφούν ή να μετατοπιστούν για να μοιάζουν ακριβώς με το είδωλό τους ). Επιπλέον, το 2016, κατασκεύασαν έναν κόμβο πέντε σταυρών που θα μπορούσε να επιταχύνει τις χημικές αντιδράσεις. Στη μορφή του χωρίς κόμπους, το μόριο δεν μπόρεσε να λειτουργήσει ως καταλύτης, γεγονός που καταδεικνύει τα ισχυρά αποτελέσματα που μπορούν να έχουν οι κόμβοι στη χημεία — και που μπορεί να έχουν και στη βιολογία.

Κάποιο DNA μπορεί να υπερδιπλωθεί, για παράδειγμα, με τον τρόπο που ένα τυλιγμένο καλώδιο τηλεφώνου μπορεί να στρίψει επάνω του. Η υπερέλιξη έχει αποτελέσει αντικείμενο έρευνας για το πώς θα μπορούσε να επηρεάσει τη συμπεριφορά του DNA - ο Zechiedrich πιστεύει ότι σε ορισμένες περιπτώσεις (τουλάχιστον στα βακτήρια), οι κόμβοι και τα υπερπηνία που δεν ξεμπλέκονται είναι πολύ ευαίσθητα σε μεταλλάξεις - ωστόσο οι χημικοί δεν έχουν μπόρεσε να κάνει κόμπους με αυτήν την υπερτυλιγμένη ιδιότητα για να τη μελετήσει λεπτομερέστερα.

Αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει. Ο κόμπος εννέα διασταύρωση του Leigh μοιράζεται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά με το υπερτυλιγμένο DNA. "Έτσι, μελετώντας αυτούς τους [σύνθετους κόμβους] και κατανοώντας τους στα απλά συστήματα ελέγχου που φτιάχνουμε, ίσως μπορέσουμε να αναπτύξουμε κάποιες γνώσεις σχετικά με το τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο με τις υπερτυλιγμένες δομές DNA", είπε ο Leigh.

Δεν συμφωνούν όλοι. Ο ίδιος ο Micheletti είναι δύσπιστος σχετικά με την παρέκταση από τους συνθετικούς κόμπους σε βιολογικούς. Η Sophie Jackson, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ στην Αγγλία που μελετά πρωτεΐνες με κόμπους, πιστεύει επίσης ότι το γεγονός ότι οι συνθετικοί κόμβοι γίνονται με μια τόσο διαφορετική διαδικασία σημαίνει ότι δεν μπορούν να μας πουν πολλά για αυτούς στο DNA και άλλα βιομόρια. Αλλά «είναι ακόμη νωρίς», είπε ο Leigh. "Έχουμε φτιάξει μόνο μερικά διαφορετικά είδη κόμπων και έχουμε δει μόνο μερικά διαφορετικά είδη ιδιοτήτων."

«Νομίζω ότι είναι πάντα ενδιαφέρον», πρόσθεσε ο Zechiedrich, «να ξεπεράσεις τα όρια και να δεις τι άλλο υπάρχει εκεί έξω».

Η διόρθωση προστέθηκε στις 30 Οκτωβρίου:Σε μια προηγούμενη έκδοση του σχεδίου τοπολογικά ισοδύναμων κόμβων, μια από τις διασταυρώσεις εμφανίστηκε λανθασμένα.