• No results found

University of Groningen Folding and replication in complex dynamic molecular networks Liu, Bin

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "University of Groningen Folding and replication in complex dynamic molecular networks Liu, Bin"

Copied!
5
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

University of Groningen

Folding and replication in complex dynamic molecular networks

Liu, Bin

DOI:

10.33612/diss.99784510

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2019

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Liu, B. (2019). Folding and replication in complex dynamic molecular networks. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.99784510

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

(2)

Chapter 6 Overview and Perspectives

6.1 Overview

Systems chemistry provides a new impetus for the study of complex chemical systems. As described  in  Chapter  1,  folded  and  self‐replicating  molecules  are  not  only  important  in  modern  biology,  but  also  play  an  important  role  in  the  origin  of  life  and  the  de  novo  synthesis  of  life.  Self‐replicating  molecules  are  considered  to  be  a  promising  starting  point  for  the  de  novo  synthesis  of.  The  work  described  in  this  thesis  focuses  on  the  construction  of  complex  folded  molecules,  as  well  as  the  combination of folding and self‐replicating systems. In order to achieve the combination of the two  processes, it is necessary to develop a new method capable of simultaneously capturing them. Our  group  has  done  a  lot  of  work  on  synthesizing  self‐replicating  molecules  by  using  DCC,  and  has  developed a series of peptide replicators. 

The  most  challenging  work  in  this  thesis  is  the  use  of  DCC  to  design  and  synthesize  new  complex  folded  molecules.  The  principle  of  synthesizing  folded  molecules  using  the  dynamic  combinatorial  approach  has  been  introduced  many  years  ago,  but  there  have  been  only  a  limited  number  of  experimental manifestations that directly demonstrate this principle. In Chapter 2, the penta‐peptide  side  chain  of  building  blocks  widely  investigated  in  the  context  of  self‐replication  is  replaced  by  an  aspartic acid and a nucleobase. No autocatalytic species were observed in the library made from the  new building block, but a foldamer with a complex structure emerged. These results established DCC  as  a  promising  tool  to  synthesize  folded  molecules  with  complex  structures.  This  accidental  breakthrough  opened  the  door  to  further  development  of  foldamers.  In  Chapter  3,  peptide  based  folding has been explored. By adjusting the structure of the amino acids, a series of novel complex  folded  molecules  were  discovered.  Unlike  the  folded  molecules  described  in  Chapter  2,  foldamers  based  on  dipeptide  building  blocks  are  more  complex  and  diverse.  All  of  these  complex  folded  molecules have secondary and tertiary structures like those found in proteins. Moreover, unlike most  folded  biomolecules  or  synthetic  folded  structures,  the  formation  of  complex  folded  tertiary  structures  from  DCLs  does  not  require  preorganization  of  distinct  secondary  arrangements.  These  findings provide guidance for the synthesis of complex folded molecules using DCC, as well as paving  the way for the synthesis of functional folded molecules. 

After realizing the synthesis of folded molecules by using DCC, the combination of folded molecules  and self‐replicating molecules was introduced in Chapter 4. Since the building blocks of both folded  and self‐replicating molecules contain the same aromatic dithiol core, the coupling of the processes 

(3)

Chapter 6 

 

of folding and self‐replication  by disulfide  bond exchange is possible. Due to the complexity of the  dynamic  libraries  made  from  these  two  building  blocks,  self‐replicating  molecules  and  folded  molecules are not simultaneously generated in the dynamic library. However, the results show that  by adjusting the ratio of the two building blocks, a self‐replicating molecule composed of both of the  building  blocks  can  emerge.  In  addition,  selective  auto‐  and  cross‐catalysis  between  four  self‐ replicating  molecules  generated  in  a  library  composed  of  five  building  blocks  was  observed.  These  results  provide  one  of  the  first  examples  of  a  complex  synthetic  system  in  which  multiple  self‐ replicating molecules coexist. 

Self‐sorting between self‐replicating and folded molecules is achieved in Chapter 5 by modifying the  sequence of the peptide building block. In the library consisting of two building blocks, we observed  the  formation  of  both  replicator  and  foldamer.  Self‐sorting  of  replicator  and  foldamer  is  driven  by  intra‐ and inter‐molecular non‐covalent interactions. Interestingly, by controlling the ratio of the two  building blocks in the mixed library, we cannot only observe the self‐sorting between self‐replicating  molecules  and  folded  molecules,  but  also  the  self‐sorting  between  two  self‐replicating  molecules.  Although  both  self‐replicating  molecules  are  composed  of  the  same  building  blocks,  no  cross‐ catalysis  is  observed.  More  interestingly,  we  have  also  observed  transient  self‐replication  in  this  mixed  system.  Such  transient  self‐replication  systems  may  help  us  to  further  develop  far  from  equilibrium self‐replicating systems.  

6.2 Perspectives

Although  we  have  synthesized  a  series  of  complex  folded  molecules  using  DCC,  the  emergence  of  complex folded structures from DCLs still has an important limitation ‐ unpredictability. We cannot  reliable predict whether the designed and synthesized building blocks can form folded structures. As  with  the  protein  folding  problem,  the  prediction  of  the  configuration  and  size  of  folded  molecules  emerging  from  DCLs  will  be  a  long  scientific  journey.  From  the  current  results,  all  the  folded  molecules  formed  from  the  DCLs  are  driven  by  intramolecular  hydrogen  bonds,  hydrophobic  interactions and π‐π stacking. A possible research direction is to design and synthesize more diverse  building  blocks  that  can  form  folded  molecules,  to  probe  the  possible  control  factors.  Insights  obtained  through  such  structures  might  make  it  possible  to  predict  the  nature  of  the  folded  molecules that emerge from DCLs. 

The  ultimate  goal  of  the  field  of  foldamers  is  to  mimic  the  tertiary  and  quaternary  arrangements  found  in  proteins  and  nucleic  acids,  and  ultimately  to  mimic  their  functions.  As  described  in  the 

Chapter 3, minor modifications of the building blocks may inhibit the formation of folded molecules 

(4)

molecules  by  introducing  the  desired  functional  groups  in  the  building  blocks.  However,  from  the  results  described  in  Chapter  2,  it  appears  that  modification  of  building  blocks  does  not  necessarily  affect overall folding, as the stacking of the aromatic segments in the core remains unchanged. This  gives us the possibility to functionalize the folded molecules by directly functionalizing the building  blocks.  Since  the  folded  molecule  could  potentially  provide  a  microenvironment,  such  as  a  hydrophobic  groove,  similar  to  a  protein,  the  introduction  of  a  functional  group  might  enable  creating functions similar to those of biomolecules such as binding or catalysis. In addition, we may  be  able  to  assemble  different  building  blocks  containing  different  functional  groups  into  a  folded  molecule in order to achieve their synergy. 

Compared to the formation of folded molecules from DCLs, the emergence of self‐replicating species  seems to be more predictable, but there are still limitations. The number of building blocks that are  capable  of  forming  self‐replicating  molecules  is  still  limited,  and  most  of  the  building  blocks  developed by our group are based on structurally similar penta‐peptide residues. One of the original  objectives  of  this  thesis  was  to  design  and  construct  a  self‐replicating  system  with  enhanced  information  transfer  capabilities.  We  successfully  introduced  nucleobases  into  the  building  blocks,  and obtained a self‐replicating system including both nucleobases and peptides. We did not observe  self‐replicating  systems  that  can  transfer  information  by  base‐pairing.  It  is  worth  noting  that  the  selective  interaction  of  base‐pairing  relies  on  weak  hydrogen‐bond  based  recognition.  The  competition between base‐pairing and hydrogen bonding between the nucleobases and the peptide  building blocks might have caused the nucleobases to lose the ability of information transfer in the  replicating system. To avoid this effect, we should develop a self‐replicating system that can emerge  without requiring the assistance of the peptide building blocks.  

Information  transfer  between  self‐replicating  molecules  and  folded  molecules  may  be  possible  through signal molecules. From previous studies, we know that the emergence of peptide‐based self‐ replicating molecules is driven by β‐sheet‐induced self‐assembly. The consequence this self‐assembly  is  a  change  in  the  microenvironment  of  the  amino‐acid  residues,  which  gives  rise  to  special  properties  such  as  catalysis  by  the  self‐replicating  molecules.  We  show  in  Chapter  5  that  the  self‐ sorting  of  self‐replicating  and  folded  molecules  is  driven  by  the  emergence  of  the  self‐replicating  molecules. Therefore, if we can develop a folded molecule that is capable of capturing the product  released by the reaction catalyzed by the self‐replicating molecule, transfer of information also can  be achieved. 

Life is a non‐equilibrium phenomenon, so another important research direction is the construction of  far from equilibrium fully  synthetic  chemical systems. In  Chapter  5, we  describe a system in which 

(5)

Chapter 6 

 

the  rate  of  formation  of  metastable  self‐replicating  molecules  is  higher  than  that  of  a  competing  thermodynamically more stable self‐replicating molecule. The metastable self‐replicating molecules  emerged  first  and  were  then  autonomously  converted  into  other,  more  stable  self‐replicating  molecules. Since the emergence of a progeny self‐replicator and the destruction of a parental self‐ replicator  occur  simultaneously,  the  system  allows  for  temporal  controlling  of  the  self‐replicator  population.  In  addition,  the  thermodynamic  instability  of  self‐replicating  molecules  provides  the  capability of the system to simulate the two basic characteristics of the living system: self‐replication  and persistence far‐from‐equilibrium. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

This sort of combination therapies, especially combining CRISPR/Cas9 with CAR-T or PD-1 associated trials (Table 1), may improve outcomes of clinical cancer treatment in the

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded

Having  established  the  method  for  the  selective  formation  of  complex  folded  structures 

The approach taken to accessing new synthetic foldamers has until now relied almost exclusively on  design,  followed  by  multi‐step  synthesis.  An 

1   We  know  from  protein  chemistry  that  the  way  in  which  the  twenty  natural  amino  acids  are  inserted  dictates  dynamicity  and  the  arrangement 

In  summary,  we  have  shown  how  self‐replicators  containing  both  amino‐acid 

In  conclusion,  we  were  able  to  witness  two  of  the  most  important  processes  of  living  systems,  self‐replication  and  folding  in  a  single 

entire folded skeleton, which  makes  it difficult  to  predict  the emergence of  folded