科学家们重新创造了调节生物时间的分子开关，帮助纳米技术并解释了进化优势。

生物体以许多不同的方式监测时间，并对时间做出反应，从在微秒内探测光和声音，到通过每天的睡眠周期、每月的月经周期或季节变化，以预先设定的方式做出生理反应。

这些对时间敏感的反应是由分子开关或纳米机器实现的，这些分子开关或纳米机器作为精确的分子计时器，可以根据环境线索和时间间隔进行激活或关闭。

在一项开创性的研究中，蒙特雷蒙塔大学的科学家们复制并验证了控制纳米机器激活和失活率的两种不同机制，展示了这些过程如何在生命系统的多个时间尺度上运作。

他们的研究结果发表在《美国化学学会杂志》上。他们的突破表明，工程师们可以利用自然过程来改进纳米医学和其他技术，同时也有助于解释生命是如何进化的。

门的类比

生物分子开关或纳米机器，通常由蛋白质或核酸构成，是生命机器的基本组成部分。它们执行成千上万的关键功能，包括化学反应、运送分子、储存能量、促进运动和生长。

但这些开关是如何进化到在不同的时间尺度上激活的呢？这是一个长久以来让化学家们着迷的关键问题，自20世纪60年代Monod Wyman Changeux和Koshland Nemethy Filmer的开创性工作以来，人们普遍认为两种流行的机制可以控制生物分子开关的激活。

这项新研究的首席研究员、UdeM化学教授Alexis Vallée-Bélisle说：“用门的类比很方便地说明这两种机制。”

“关闭的门代表开关或纳米机器的非活性结构，而打开的门代表其活性结构。开关与其激活分子（如光或分子）之间的相互作用决定了激活机制的类型。”

“在诱导配合机制中，激活分子或人抓住关闭的门的把手，这为快速打开提供了能量，”Vallée-Bélisle解释说。“在构象选择机制中，激活分子需要等待门自发打开，然后才能相互作用，并在稍后的开放结构中阻止它。”

虽然这两种机制在许多蛋白质中被观察到，但直到最近，科学家们才意识到这些机制也可以用于设计更好的纳米系统。

利用DNA构建纳米门

为了揭开这两种机制及其功能背后的神秘面纱，研究人员利用DNA成功地重建了一个简单的分子“门”。虽然DNA主要以其编码生物体遗传密码的能力而闻名，但一些生物工程师也开始利用其简单的化学反应来制造纳米级的物体。

“与蛋白质相比，DNA是一种高度可编程和多功能的分子，”杜克大学化学副研究员、这项新研究的合著者多米尼克·劳松（Dominic Lauzon）说。“这就像化学中的乐高积木，让我们能够在纳米尺度上构建我们想要的任何东西。”

快一千倍

利用DNA， UdeM的科学家们创造了一个5纳米宽的“门”，可以通过使用相同的激活分子通过两种不同的机制激活。这使得研究人员可以在相同的基础上直接比较两种开关机制，测试它们的设计原理和编程能力。

他们发现，“门把手”（诱导适应）开关的激活和关闭速度要快1000倍，因为激活分子提供了加速开门的能量。相比之下，没有手柄的慢得多的开关（构象选择）可以通过简单地增加相互作用的强度来编程，使其以慢得多的速率打开，从而保持门关闭。

第一作者、生物化学研究生卡尔·普莱姆沃斯特-特伦布雷解释说：“我们发现，实际上，我们可以通过设计分子手柄，将激活速率从几小时切换到几秒钟。”

“我们还认为，这种对开关和纳米机器的激活速度进行编程的能力，可以在需要在特定时间对化学事件进行编程的纳米技术中找到许多应用。”

迈向新的药物输送技术

开发以不同速率激活和灭活的纳米系统，将大大受益的一个领域是纳米医学，其目标是开发具有可编程药物释放速率的药物输送系统。

这将有助于减少患者服药的频率，并有助于在治疗期间保持药物在体内的适当浓度。

为了展示这两种机制的高度可编程性，研究人员设计并测试了一种抗疟疾药物载体，它可以以任何编程的速度释放药物。

“通过设计分子手柄，我们开发了一种载体，通过简单地添加激活分子，可以快速、立即释放药物，”生物医学工程硕士学生阿奇利·维格诺特说，他也是这项研究的作者。“在没有手柄的情况下，我们还开发了一种载体，可以在药物激活后提供可编程的缓慢连续释放。”

科学家们说，这些结果还揭示了这两种信号机制的独特进化作用和优势，并解释了为什么一些蛋白质在进化中通过一种机制而不是另一种机制被激活。

Vallée-Bélisle说：“例如，需要快速激活以检测光或气味的细胞受体可能受益于快速诱导的适应机制，而持续数周的过程，如蛋白酶抑制，则肯定受益于较慢的构象选择机制。”

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