Ученые раскрыли ключевой фактор формирования супрамолекулярных сетей
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) обнаружили, что стабильность супрамолекулярных сетей, критически важных для биологических процессов, зависит не от силы химических связей, а от гибкости в месте взаимодействия молекул. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Chemistry, меняет представления о самоорганизации материи и открывает новые возможности в медицине и нанотехнологиях.
Сети жизни
Супрамолекулярные сети, в отличие от ковалентных структур, формируются за счет слабых взаимодействий, таких как водородные связи или ван-дер-ваальсовы силы. Они играют ключевую роль в живых системах: например, белок клатрин образует шестиугольные «пузыри», поглощающие питательные вещества в клетках, а TRIM5α создает решетку, подавляющую репликацию ВИЧ. Подобные структуры встречаются даже на макроуровне — в сотах пчел или кристаллах.
«Шестиугольная сеть — это универсальный паттерн природы. Но как именно молекулы самоорганизуются в такие архитектуры, оставалось загадкой», — отмечает Маартье Бастингс, руководитель лаборатории программируемых биоматериалов (PBL) EPFL.
ДНК-звезды в роли исследовательского инструмента
Чтобы выяснить, какие факторы управляют ростом сетей, ученые создали синтетические молекулы ДНК в форме трехлучевых звезд. Меняя длину «лучей», они регулировали их гибкость, а варьируя последовательности нуклеотидов — силу связей между молекулами. Наблюдения за процессом сборки проводились с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (АСМ) в лаборатории LBNI под руководством Георга Фантнера.
Результаты удивили: звезды с короткими жесткими лучами формировали стабильные шестиугольные структуры, тогда как гибкие длинные лучи не могли создать устойчивых связей, несмотря на сильное химическое сродство. Моделирование показало, что короткие лучи в 4 раза чаще располагались параллельно, образуя прочные соединения, в то время как длинные «расползались», нарушая порядок.
Гибкость важнее силы
«Место взаимодействия молекул должно быть жестким. Если оно гибкое, молекулы не удержатся вместе, даже при прочных связях. Гибкость в месте взаимодействия всегда преобладает над силой связей — это противоречит предыдущим теориям», — подчеркивает Бастингс.
Ученым также удалось настроить гибкость: добавив жесткость в зону контакта гибких молекул, они добились роста сетей, сохранив общий размер структур. Это доказывает, что контроль гибкости в месте соединения позволяет управлять самоорганизацией даже крупных молекул.
От лечения Альцгеймера до электроники будущего
Открытие предлагает новые стратегии для:
- Наномедицины: создание целевых терапевтических сетей для доставки лекарств.
- Борьбы с патологиями: разрушение амилоидных бляшек при нейродегенеративных заболеваниях за счет повышения гибкости их структуры.
- Спинтроники: разработка самоорганизующихся наносетей для высокоэффективной электроники.
«ДНК, вырванная из геномного контекста, стала инструментом для изучения фундаментальных физических законов. Это междисциплинарный прорыв», — заключает Бастингс.
Исследование, выполненное при участии студентов PBL и LBNI, не только углубляет понимание природы, но и открывает двери для инноваций — от адресной терапии до материалов с заданными свойствами.