Forskere finder, at enzymer naturligt vælger deres egne polymersekvenser

Mens fritflydende enzymer rejser midt i et hav af polymerer, et Northwestern Engineering-team har fundet ud af, at disse enzymer foretrækker at forbinde visse polymersekvenser frem for andre, en opdagelse, der kan føre til anvendelser inden for en bred vifte af felter lige fra behandling af nukleart affald til levering af lægemidler.

"Fra alle disse partier af tilfældigheder, vi opdagede, at hvert enkelt enzym vælger en sekvens, det bedst kan lide, " sagde Monica Olvera de la Cruz, advokaten Taylor professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering and Applied Science, der ledede undersøgelsen. "Det er vigtigt, fordi det kaster lys over, hvordan vi kan designe sammensætningen af ​​en batch af polymerer, så de vil sprede enzymer aktivt i ikke-biologiske miljøer."

Forfattet af Olvera de la Cruz og to kolleger i McCormicks afdeling for materialevidenskab og teknik – seniorforsker Trung Dac Nguyen og forskningsassistent professor Baofu Qiao – undersøgelsen, med titlen "Effektiv indkapsling af proteiner med tilfældige copolymerer, " offentliggjort i dag, 11 juni, i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Enzymer spiller en afgørende rolle i en række kemiske og biologiske processer ved at lette og styre biokemiske reaktioner. På grund af den begrænsede opløselighed af nogle substrater i vand, bevarelse og/eller forbedring af den katalytiske evne af nogle enzymer i ikke-vandige opløsninger er af stigende efterspørgsel. Imidlertid, de fleste enzymer mister hurtigt deres kemiske aktivitet, når de udsættes for ikke-biologiske miljøer, herunder organiske opløsningsmidler som toluen og tetrahydrofuran. Mens adskillige enzymstabiliseringsstrategier er blevet anvendt, såsom reverse engineering enzymsekvenser, dekoration af enzymer med overfladeaktive stoffer, eller modifikation af opløsningsmidlerne, de fleste af dem er enten begrænset til specifikke enzymer og opløsningsmidler eller omkostningsineffektive.

Udførelse af computersimuleringer på Quest, Northwesterns højdrevne beregningsfacilitet, forskerne undersøgte:nøglefaktorerne, der bestemte dækningen af ​​de tilfældige copolymerer med forskellige typer enzymer i et givet opløsningsmiddel; hvordan enzymerne udvalgte de tilfældige copolymerer for at beskytte sig mod ugunstige opløsningsmidler; og forholdet mellem enzymets overfladekarakteristika og polymeregenskaberne.

"Vi fandt ud af, at enzymerne faktisk udvælger visse polymersekvenser, der bedst dækker deres overflade ud af puljen af ​​polymerer, " sagde Trung. "De tilfældige copolymerer giver sammensætningen og sekvensdiversiteten svarende til den i uordnede enzymer, hvilket forklarer, hvorfor de effektivt kan dække adskillige enzymer i forskellig størrelse, form, og overflademønstre."

Studiet, drevet af et tilskud fra det amerikanske energiministerium og støtte fra Sherman Fairchild Foundation, der muliggjorde beregningsarbejdet, fremhæver, at denne specielle familie af copolymerer er et fremragende kandidatmateriale til at syntetisere membranløse organeller - de mikronstore væskedråber inde i celler i levende organismer - samt til at stabilisere og levere enzymer på tværs af flere ikke-biologiske medier.

"Lige nu, for eksempel, forskere i den farmaceutiske industri forsøger at matche sekvenser perfekt, " sagde Olvera de la Cruz. "Vores opdagelse giver retningslinjer for at gøre spredningen af ​​enzymer meget mere omkostningseffektiv og effektiv."

Olvera de la Cruz og hendes kolleger planlægger nu at undersøge, hvordan de membranløse organeller spontant kan dannes med disse copolymerer-enzymer, hvordan man kontrollerer deres størrelser, og hvordan enzymernes strukturelle egenskaber kan blive påvirket inde i organellerne.

"Det næste skridt vil være at udforske mulighederne for at koncentrere forskellige enzymer sammen, hvilket er meget lovende med hensyn til at fremme deres katalytiske evne, i at skabe nye kemikalier, samt ved behandling af industriaffald, på en effektiv måde, " sagde Olvera de la Cruz.