Nanoenzymer designet med en unik kombination af struktur og funktioner

Forskere ved UAB har designet minimalistiske biostrukturer, der efterligner naturlige enzymer, i stand til at udføre to differentierede og reversibelt regulerede aktiviteter takket være en unik kombination af strukturelle og funktionelle egenskaber. Den anvendte strategi åbner døren til skabelsen af ​​"intelligente" nanomaterialer med skræddersyede kombinationer af katalytiske funktioner.

Der er en stigende interesse for syntetiske systemer, der kan udføre bioinspirerede kemiske reaktioner uden at kræve de komplekse strukturer, der karakteriserer enzymer i deres komponenter. En af de mest udforskede tilgange er selvsamling af peptider - molekyler mindre end proteiner - på grund af deres biokompatibilitet og hvordan deres strukturelle og funktionelle egenskaber kan kontrolleres.

Forskere fra Institut for Bioteknologi og Biomedicin ved Universitat Autònoma de Barcelona (IBB-UAB) har for nylig designet en af ​​de mindste mimetiske enzymstrukturer nogensinde. Disse peptider består af syv til ni aminosyrer, som spontant samler sig selv for at danne stabile amyloidfibre og faste hydrogeler, uskadelig for celler.

Peptider dannes med kun to typer vandopløselige aminosyrer (tyrosin og histidin), en binær kode, der indeholder al den information, der er nødvendig for at danne nanostrukturer. Ud over, de er reversible og kan udføre to differentierede og ikke-relaterede katalytiske aktiviteter.

Forskere formåede at skabe et system, der er enklere og bedre kan kontrollere den enzymatiske aktivitet, og for første gang, en struktur, hvor de selvsamme aminosyrer, der giver katalytisk aktivitet, også bidrager til at forme den makromolekylære arkitektur. I tidligere undersøgelser, disse kapaciteter blev adskilt i forskellige områder af molekylet, hvilket resulterede i længere peptider og/eller peptider med en enkelt funktion.

"Spørgsmålet er, at den katalytiske aktivitet af fibre og hydrogeler kun kan opnås, når peptiderne samler sig selv, " forklarer Salvador Ventura, koordinator for undersøgelsen. "Den strategi, vi brugte, fastlægger grundlaget for skabelsen af ​​"intelligente" nanostrukturmaterialer, med skræddersyede kombinationer af katalytiske funktioner til en række praktiske anvendelser."

Unikke egenskaber

Indtil nu, flertallet af minimalistiske peptider designet manglede en af ​​de vigtigste egenskaber ved naturlige enzymer:evnen til reversibelt at regulere deres aktivitet. I dette studie, forskere formåede at kontrollere samlingskapaciteten, og dette tillader vekslende aktive og inaktive former med simple ændringer i pH.

Ud over, de nye peptider har egenskaber, som naturlige enzymer ikke har, da disse kun udfører katalytiske aktiviteter. Nu, peptiderne inkorporerer to forskellige typer aktiviteter (hydrolitiske og elektrokatalytiske), som kan udføres samtidigt eller skiftevis. I alle andre tilfælde, dette ville kræve to strukturelt forskellige kunstige enzymer, som ville være hundredvis af gange større og dyrere.

Et andet kendetegn ved disse nye kunstige enzymer, som forskere påpeger, er spontaniteten ved selvsamling, hvilket indebærer, at der ikke er behov for yderligere kemiske reagenser eller tilførsel af varme, som kan vise sig at være giftig eller have drastiske virkninger på dens struktur.

Større effektivitet og økonomi

Hydrogeler og amyloidlignende fibre gør det muligt at generere solide og mere effektive og økonomiske mikroreaktorer, hvor det endelige produkt af reaktionen let kan adskilles fra det kunstige enzym.

"De makromolekylære strukturer, vi har formået at skabe, kan have vigtige anvendelser inden for mikrofluidik, og også i medicinafgivelse, da de kan indkapsle lægemidlet i dets samlede tilstand og frigøre det på en bestemt måde, når den korrekte cellekontekst er opnået, blot ved at skille ad, " Salvador Ventura højdepunkter.

Salvador Ventura er leder af gruppen for proteinfoldning og konformationelle sygdomme hos IBB. "Vi begyndte de nanoteknologiske forskningslinjer for kun tre år siden, men vores viden om den molekylære mekanisme for proteinsamling i amyloidstrukturer har hjulpet os med at udvikle nye funktionelle, syntetiske nanomaterialer med egenskaber, der ikke kan opnås med naturlige peptider eller proteiner, " han siger.