과학자들은 분자 네트워크 형성을 주도하는 메커니즘을 발견하다

공유 결합은 분자의 원자를 공유 전자 쌍으로 연결하는 널리 알려진 현상입니다. 그러나 자연에서 분자 패턴은 초분자 네트워크를 생성하는 더 약하고 역동적인 힘을 통해 연결될 수도 있습니다. 이는 초기 분자 클러스터 또는 결정에서 자체 조립되어 크고 안정적인 구조로 성장할 수 있습니다.

초분자 네트워크는 생물학적 시스템의 구조와 기능을 유지하는 데 필수적입니다. 예를 들어, '먹기' 위해 세포는 3개 팔 단백질 클라트린의 단위로 자체 조립되는 육각형 초분자 네트워크에 의존합니다. 클라트린 네트워크는 영양소 주위에 거품을 형성하여 세포로 가져옵니다. 마찬가지로 TRIM5a라는 단백질은 HIV 바이러스 주위에 형성되는 육각형 격자를 형성하여 복제를 방해하는 데 도움이 됩니다.

"이 육각형 네트워크 구조는 자연 어디에나 존재합니다. 예를 들어 벌집에서도 거시적 규모로 볼 수 있습니다." EPFL 공과대학의 프로그래밍 가능 생체재료 연구실(PBL) 소장인 마르체 바스팅스가 설명합니다.

Nature Chemistry 에 게재된 최신 연구에서 Georg Fantner가 이끄는 PBL과 생물 및 나노 계측 연구소(LBNI)의 연구자들은 3점 별 모양의 나노 엔지니어링 DNA 가닥을 사용하여 결정질 초분자 네트워크 형성을 제어하는 ​​다양한 요소를 분리하고 조사했습니다. 이 과정에서 그들은 화학 결합 강도나 수보다 더 중요한 "정의 매개변수"를 발견했습니다.

'인터페이스 유연성은 항상 이긴다'

인간 DNA와 마찬가지로 3점 별 DNA 분자의 구성은 뉴클레오타이드 서열에 따라 달랐으며, 이는 이웃 분자와의 상호작용 강도(친화도)에 영향을 미쳤습니다. 하지만 이 연구에서 연구자들은 추가 변수를 도입했습니다. 각 단량체의 세 팔을 구성하는 가닥의 길이를 미묘하게 변화시켜 팔의 국소적 및 전역적 유연성을 조절할 수 있었습니다.

연구팀은 고속 원자간력 현미경을 사용하여 짧고 단단한 '팔'을 가진 DNA 별은 안정적인 육각형 네트워크로 조직되는 반면, 길고 유연한 팔을 가진 별은 큰 네트워크를 형성할 수 없다는 것을 관찰했습니다.

시뮬레이션 결과, 짧은 팔은 다른 분자와 연결하기에 더 유리한 평행 모양으로 배열될 가능성이 거의 4배 더 높은 반면, 긴 팔은 안정적인 연결을 만들기에는 너무 멀리 벌어지는 경향이 있었습니다. 연구자들은 이 변형을 인터페이스 유연성이라고 불렀습니다.

"두 분자가 만나는 계면은 단단해야 합니다. 하나가 유연하다면 분자가 연결될 가능성이 낮아집니다. 결합 강도는 중요하지 않습니다. 계면 유연성이 항상 이깁니다. 이는 지금까지 알려진 것과 상반됩니다."라고 Bastings는 말합니다.

흥미롭게도, 연구자들은 또한 계면 유연성이 미세 조정될 수 있음을 보여주었습니다. 유연한 분자에서 그들은 네트워크 성장을 지원하기에 충분한 결합 계면에서 국소적 강성을 회복할 수 있었고, 분자의 전체적인 더 큰 크기를 유지했습니다.

"이것은 결합 지점에서 계면 유연성을 제어한다면 전역적으로 유연한 단량체조차도 여전히 네트워크로 성장할 수 있다는 것을 의미합니다."라고 Bastings는 요약합니다.

건설 또는 파괴

배스팅스는 이 연구가 과학자들이 단백질과 다른 분자를 자가 조립하는 방식을 바꾸고 세포 나노 치료법에 대한 새로운 기회를 창출할 수 있다고 말합니다. 표적 접근 방식은 예를 들어 단백질에서 새로운 초분자 네트워크를 설계할 때의 강성에 초점을 맞출 수 있습니다.

또는 알츠하이머병과 관련하여 나타나는 아밀로이드 플라크와 같은 바람직하지 않은 네트워크를 전략적으로 분해하거나 예방하기 위한 유연성을 유도하는 데 초점을 맞출 수 있습니다. 그녀는 또한 잘 정의된 나노스케일 네트워크의 자가 조립이 차세대 전자 장치를 구축하는 데 도움이 될 수 있는 스핀트로닉스에서의 응용을 예상합니다.

그녀는 그 성과를 자신의 연구실에 있는 학생들의 주도성과 LBNI의 협력자들의 덕분이라고 여깁니다. 그리고 그녀는 겸손한 DNA 분자에 대한 적절한 인정을 잊지 않습니다.

"학제간 DNA 나노기술의 발전과 원자 수준에서의 속성 제어 덕분에 DNA를 게놈 맥락에서 꺼내어 인터페이스 유연성과 같은 글로벌 물리적 상호 작용을 발견하기 위한 워크호스로 전환할 수 있게 되었습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250213144312.htm