జీవులు సమయాన్ని పర్యవేక్షిస్తాయి – మరియు దానికి ప్రతిస్పందిస్తాయి — మైక్రోసెకన్లలో కాంతి మరియు ధ్వనిని గుర్తించడం నుండి ముందుగా ప్రోగ్రామ్ చేయబడిన మార్గాల్లో శారీరకంగా ప్రతిస్పందించడం వరకు, వారి రోజువారీ నిద్ర చక్రం, నెలవారీ ఋతు చక్రం లేదా సీజన్లలో మార్పుల ద్వారా అనేక రకాలుగా ఉంటాయి.
పర్యావరణం మరియు సమయానికి ప్రతిస్పందనగా ఆన్ మరియు ఆఫ్ చేయడానికి ప్రోగ్రామ్ చేయబడిన ఖచ్చితమైన మాలిక్యులర్ టైమర్‌లుగా పని చేసే లేదా కమ్యూనికేట్ చేసే మాలిక్యులర్ స్విచ్‌లు లేదా నానోమెషీన్‌ల ద్వారా విభిన్న సమయ ప్రమాణాలలో ప్రతిస్పందించే సామర్థ్యం సాధ్యమవుతుంది.
ఇప్పుడు, కొత్త పరిశోధనలో, యూనివర్సిటీ డి మాంట్రియల్‌లోని శాస్త్రవేత్తలు రెండు విభిన్న విధానాలను విజయవంతంగా పునఃసృష్టించారు మరియు ధృవీకరించారు, ఇవి బహుళ సమయ ప్రమాణాలలో జీవులలోని నానోమెయిన్‌ల క్రియాశీలత మరియు నిష్క్రియం రేట్లు రెండింటినీ ప్రోగ్రామ్ చేయగలవు.
వారి పరిశోధనలు ప్రచురించబడ్డాయి అమెరికన్ కెమికల్ సొసైటీ జర్నల్. నానోమెడిసిన్ మరియు ఇతర సాంకేతికతలను మెరుగుపరచడానికి ఇంజనీర్లు సహజ ప్రక్రియలను ఎలా ఉపయోగించుకోవచ్చో వారి పురోగతి సూచిస్తుంది, అదే సమయంలో జీవితం ఎలా అభివృద్ధి చెందిందో వివరించడంలో సహాయపడుతుంది.
తలుపు సారూప్యత
బయోమోలిక్యులర్ స్విచ్‌లు లేదా నానోమైన్‌లు, సాధారణంగా ప్రొటీన్లు లేదా న్యూక్లియిక్ యాసిడ్‌లతో తయారవుతాయి, ఇవి జీవిత యంత్రాల యొక్క గింజలు మరియు బోల్ట్‌లు. వారు రసాయన ప్రతిచర్యలు, అణువులను రవాణా చేయడం, శక్తిని నిల్వ చేయడం మరియు కదలిక మరియు పెరుగుదలను ప్రారంభించడం వంటి వేలాది కీలక విధులను నిర్వహిస్తారు.
అయితే ఈ స్విచ్‌లు వేర్వేరు సమయ ప్రమాణాలపై సక్రియం చేయడానికి ఎలా అభివృద్ధి చెందాయి? ఇది రసాయన శాస్త్రవేత్తలను చాలా కాలంగా ఆకర్షించిన కీలకమైన ప్రశ్న, మరియు 1960లలో మోనోడ్-వైమాన్-చేంజ్ మరియు కోష్‌ల్యాండ్-నెమెతీ-ఫిల్మర్‌ల మార్గదర్శక పని నుండి బయోమోలిక్యులర్ స్విచ్‌ల క్రియాశీలతను నియంత్రించడానికి సాధారణంగా రెండు ప్రసిద్ధ యంత్రాంగాలు భావించబడ్డాయి.
“ఈ రెండు విధానాలను వివరించడానికి తలుపు యొక్క సారూప్యత సౌకర్యవంతంగా ఉంటుంది” అని కొత్త అధ్యయనం యొక్క ప్రధాన పరిశోధకుడైన UdeM కెమిస్ట్రీ ప్రొఫెసర్ అలెక్సిస్ వల్లీ-బెలిస్లే అన్నారు.
“మూసివేయబడిన తలుపు స్విచ్ లేదా నానోమెషిన్ యొక్క నిష్క్రియాత్మక నిర్మాణాన్ని సూచిస్తుంది, అయితే ఓపెన్ డోర్ దాని క్రియాశీల నిర్మాణాన్ని సూచిస్తుంది. ఇది స్విచ్ మరియు దాని క్రియాశీలక అణువు, కాంతి లేదా అణువు వంటి వాటి మధ్య పరస్పర చర్యలు, ఇది యాక్టివేషన్ మెకానిజం యొక్క రకాన్ని నిర్దేశిస్తుంది.”
“ప్రేరిత-సరిపోయే మెకానిజంలో, సక్రియం చేసే అణువు లేదా వ్యక్తి, మూసివేసిన తలుపు యొక్క హ్యాండిల్‌ను పట్టుకుంటుంది, ఇది వేగంగా తెరవడానికి శక్తిని అందిస్తుంది” అని వల్లీ-బెలిస్లే వివరించారు. “కన్ఫర్మేషనల్ సెలెక్షన్ మెకానిజంలో, యాక్టివేట్ చేసే మాలిక్యూల్ ఓపెన్ స్ట్రక్చర్‌లో ఇంటరాక్ట్ అవ్వడానికి మరియు బ్లాక్ చేయడానికి ముందు తలుపు ఆకస్మికంగా తెరవబడే వరకు వేచి ఉండాలి.”
ఈ రెండు మెకానిజమ్‌లు అనేక ప్రొటీన్‌లలో గమనించబడినప్పటికీ, మెరుగైన నానోసిస్టమ్‌లను ఇంజనీర్ చేయడానికి ఈ యంత్రాంగాలను కూడా ఉపయోగించవచ్చని శాస్త్రవేత్తలు ఇటీవలే గ్రహించారు.
నానోదూర్‌ను నిర్మించడానికి DNAని ఉపయోగించడం
ఈ రెండు యంత్రాంగాలు మరియు వాటి పనితీరు వెనుక ఉన్న రహస్యాన్ని ఛేదించడానికి, పరిశోధకులు DNA ఉపయోగించి ఒక సాధారణ పరమాణు “తలుపు”ని విజయవంతంగా పునఃసృష్టించారు. DNA ఎక్కువగా జీవుల జన్యు సంకేతాన్ని ఎన్కోడ్ చేయగల దాని సామర్థ్యానికి ప్రసిద్ధి చెందినప్పటికీ, అనేక బయో ఇంజనీర్లు నానోస్కేల్‌లో వస్తువులను రూపొందించడానికి దాని సాధారణ రసాయన శాస్త్రాన్ని ఉపయోగించడం ప్రారంభించారు.
“ప్రోటీన్‌తో పోలిస్తే, DNA అత్యంత ప్రోగ్రామబుల్ మరియు బహుముఖ అణువు” అని UdeM వద్ద కెమిస్ట్రీలో అసోసియేట్ పరిశోధకుడు మరియు కొత్త అధ్యయనం యొక్క సహ రచయిత డొమినిక్ లాజోన్ అన్నారు. “ఇది కెమిస్ట్రీ యొక్క లెగో బ్లాక్‌ల వంటిది, ఇది నానోస్కేల్‌లో మనం మనస్సులో ఉన్నదాన్ని నిర్మించడానికి అనుమతిస్తుంది.”
వెయ్యి రెట్లు వేగంగా
DNAని ఉపయోగించి, UdeM శాస్త్రవేత్తలు 5-నానోమీటర్ల వెడల్పు గల “తలుపు”ని సృష్టించారు, అదే సక్రియం చేసే అణువును ఉపయోగించి రెండు విభిన్న యంత్రాంగాల ద్వారా సక్రియం చేయవచ్చు. ఇది పరిశోధకులను ఒకే ప్రాతిపదికన నేరుగా రెండు స్విచింగ్ మెకానిజమ్‌లను పోల్చడానికి అనుమతించింది, వారి డిజైన్ సూత్రాలను మరియు ప్రోగ్రామ్ సామర్థ్యాన్ని పరీక్షించింది.
“డోర్ హ్యాండిల్” (ప్రేరిత-సరిపోయే) స్విచ్ వెయ్యి రెట్లు వేగంగా యాక్టివేట్ అవుతుందని మరియు డియాక్టివేట్ అవుతుందని వారు కనుగొన్నారు, ఎందుకంటే యాక్టివేటింగ్ మాలిక్యూల్ డోర్ ఓపెనింగ్‌ని వేగవంతం చేసే శక్తిని అందిస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, హ్యాండిల్ లేకుండా చాలా నెమ్మదిగా ఉండే స్విచ్ (కన్ఫర్మేషనల్ సెలక్షన్) డోర్ క్లోజ్డ్ మెయింటైన్ ఇంటరాక్షన్‌ల బలాన్ని పెంచడం ద్వారా చాలా నెమ్మదిగా తెరవడానికి ప్రోగ్రామ్ చేయబడుతుంది.
“మాలిక్యులర్ హ్యాండిల్‌లను రూపొందించడం ద్వారా వాస్తవానికి ప్రోగ్రామ్ రేట్లను గంటల నుండి సెకన్లకు మార్చగలమని మేము కనుగొన్నాము” అని గ్రాడ్యుయేట్ బయోకెమిస్ట్రీ విద్యార్థి కార్ల్ ప్రేవోస్ట్-ట్రెంబ్లే మొదటి రచయిత వివరించారు.
“స్విచ్‌లు మరియు నానోమెషీన్‌ల క్రియాశీలత రేటును ప్రోగ్రామ్ చేయగల ఈ సామర్థ్యం నానోటెక్నాలజీలో అనేక అనువర్తనాలను కనుగొనగలదని మేము భావించాము, ఇక్కడ రసాయన సంఘటనలు నిర్దిష్ట సమయాల్లో ప్రోగ్రామ్ చేయబడాలి.”
కొత్త డ్రగ్ డెలివరీ టెక్ వైపు
వివిధ రేట్ల వద్ద యాక్టివేట్ మరియు డియాక్టివేట్ చేసే నానోసిస్టమ్‌లను అభివృద్ధి చేయడం ద్వారా తీవ్రంగా ప్రయోజనం పొందే ఒక ఫీల్డ్ నానోమెడిసిన్, ఇది ప్రోగ్రామబుల్ డ్రగ్-రిలీజ్ రేట్‌లతో డ్రగ్-డెలివరీ సిస్టమ్‌లను అభివృద్ధి చేయడం లక్ష్యంగా పెట్టుకుంది.
ఇది రోగి ఎంత తరచుగా ఔషధాన్ని తీసుకుంటుందో తగ్గించడంలో సహాయపడుతుంది మరియు చికిత్స యొక్క పొడవు కోసం శరీరంలో ఔషధం యొక్క సరైన సాంద్రతను నిర్వహించడానికి సహాయపడుతుంది.
రెండు మెకానిజమ్‌ల యొక్క అధిక ప్రోగ్రామబిలిటీని ప్రదర్శించడానికి, పరిశోధకులు యాంటీమలేరియల్ డ్రగ్ క్యారియర్‌ను రూపొందించారు మరియు పరీక్షించారు, అది ఏదైనా ప్రోగ్రామ్ చేయబడిన రేటుతో దాని ఔషధాన్ని విడుదల చేయగలదు.
“మాలిక్యులర్ హ్యాండిల్‌ను ఇంజనీరింగ్ చేయడం ద్వారా, యాక్టివేటింగ్ మాలిక్యూల్‌ను సులభంగా జోడించడం ద్వారా ఔషధాన్ని వేగంగా మరియు తక్షణమే విడుదల చేయడానికి అనుమతించే క్యారియర్‌ను మేము అభివృద్ధి చేసాము” అని బయోమెడికల్ ఇంజనీరింగ్ మాస్టర్స్ విద్యార్థి అకిల్లే విగ్నోల్ట్ చెప్పారు. “మరియు హ్యాండిల్ లేనప్పుడు, మేము దాని క్రియాశీలతను అనుసరించి ప్రోగ్రామబుల్ నెమ్మదిగా నిరంతరాయంగా విడుదల చేసే క్యారియర్‌ను కూడా అభివృద్ధి చేసాము.”
ఈ ఫలితాలు రెండు సిగ్నలింగ్ మెకానిజమ్‌ల యొక్క విభిన్న పరిణామ పాత్రలు మరియు ప్రయోజనాలను కూడా డీమిస్టిఫై చేస్తాయి మరియు కొన్ని ప్రోటీన్లు ఒక మెకానిజం ద్వారా మరొకదానిపై సక్రియం చేయడానికి ఎందుకు అభివృద్ధి చెందాయో వివరిస్తాయి, శాస్త్రవేత్తలు చెప్పారు.
“ఉదాహరణకు, కాంతి లేదా ఇంద్రియ వాసనలను గుర్తించడానికి వేగవంతమైన క్రియాశీలత అవసరమయ్యే సెల్ గ్రాహకాలు వేగవంతమైన ప్రేరేపిత-సరిపోయే మెకానిజం నుండి ప్రయోజనం పొందుతాయి,” అని వల్లీ-బెలిస్లే చెప్పారు, “ప్రోటీజ్ నిరోధం వంటి వారాలపాటు కొనసాగే ప్రక్రియలు, నెమ్మదిగా ఆకృతీకరణ నుండి ఖచ్చితంగా ప్రయోజనం పొందుతాయి. ఎంపిక విధానం.”
ఈ అధ్యయనం గురించి
కార్ల్ ప్రేవోస్ట్-ట్రెంబ్లే, అకిల్ విగ్నాల్ట్, డొమినిక్ లాజోన్ మరియు అలెక్సిస్ వల్లీ-బెలిస్లేచే “కెమికల్ కమ్యూనికేషన్ యొక్క గతిశాస్త్రం: ప్రేరేపిత ఫిట్ vs కన్ఫర్మేషనల్ సెలక్షన్” డిసెంబర్ 19, 2024 జర్నల్ ఆఫ్ ది అమెరికన్ కెమికల్ సొసైటీలో ప్రచురించబడింది. నేషనల్ సైన్సెస్ అండ్ ఇంజనీరింగ్ రీసెర్చ్ కౌన్సిల్ ఆఫ్ కెనడా, కెనడా రీసెర్చ్ చైర్స్ ప్రోగ్రామ్, లెస్ ఫాండ్స్ డి రీచెర్చే డు క్యూబెక్ — నేచర్ ఎట్ టెక్నాలజీస్ మరియు PROTEO నెట్‌వర్క్ ద్వారా నిధులు అందించబడ్డాయి.
