Biomolekyle metal-organiske hybrider med høj bioaktivitet

Biomakromolekyler inkorporeret i skræddersyede metal-organiske rammer ved hjælp af peptidmodulatorer er godt afskærmede, men yderst aktive takket være omhyggeligt afstemt nanoarkitektur. Som videnskabsmænd rapporterer i tidsskriftet Angewandte Chemie , denne strategi kan bruges til at syntetisere en "kunstig celle", der fungerer som en optisk glukosesensor.

Biomakromolekyler, såsom enzymer, kontrollere reaktioner i celler med meget højere effektivitet, specificitet, og selektivitet end i syntetiske systemer. Når det bruges uden for en celle, mange af disse følsomme molekyler kræver en syntetisk skal. Metal-organiske rammer (MOF'er) er særdeles velegnede til dette. Disse burlignende strukturer har metalioner som knudepunkter, som er forbundet med organiske ligander. Biomolekyler kan nemt inkorporeres inden for disse rammer under deres selvsamlingsproces. Imidlertid, den begrænsede tilgængelighed af biomolekylerne i skallerne forårsager ofte, at aktiviteten af ​​disse biohybrider er skuffende.

Et team ledet af Gangfeng Ouyang ved Sun Yat-sen University i Guangzhou, Kina, har nu indført en simpel strategi til at skræddersy sådanne biohybrider til at danne nanoarkitekturer med høj aktivitet. Nøglen til deres succes ligger i tilføjelsen af ​​specifikke peptider, der påvirker strukturen som "modulatorer".

Forskerne valgte at arbejde med peberrodsperoxidase som deres modelbiomolekyle. Dette enzym nedbryder hydrogenperoxid og bruges i industrien til miljøvenlig oxidation af aromatiske aminer. Noderne i den metal-organiske ramme er zinkioner, som er bundet af 2-methylimidazol-ligander. Modulatoren er γ-poly-L-glutaminsyre, en naturlig biopolymer med flere negative ladninger, der binder sig til positive grupper på peroxidasen og kompetitivt koordinerer med zinkioner. Modulatoren og peroxidase er, dermed, begge indarbejdet i MOF. Variering af mængden af ​​modulator giver forskellige morfologier, såsom tredimensionelle polyedre, som er som små "stjerner" lavet af sammenflettede todimensionelle spindelformede lag, der er omkring 150 nm tykke, eller tredimensionelle blomsterlignende strukturer. Hvorimod enzymaktiviteten i de mikroporøse 3D-strukturer er lav, enzymerne i 2-D MOF'erne er næsten lige så aktive som i den frie tilstand. Dette er et resultat af de store porer og relativt korte kanaler i 2-D strukturerne, som giver substratet mulighed for hurtigt at få adgang til enzymet. På samme tid, enzymet er godt beskyttet mod enzymer, der nedbryder proteiner, høje koncentrationer af urinstof, forhøjede temperaturer, og en række organiske opløsningsmidler, hvilket er fordelagtigt til industrielle anvendelser.

Forskerne var også i stand til at bygge en "kunstig celle", der efterligner de cellulære kaskader involveret i signaltransduktion og fungerer som en glukosesensor. For det, de inkorporerede flere komponenter i en 2-D MOF:glucoseoxidase (GOx) og proteinbundne fluorescerende guld nanoclusters, der nedbryder hydrogenperoxid katalytisk. Tilsætning af glukose starter kaskaden. Glucosen oxideres af GOx, som danner brintoverilte. Dette omdannes derefter med et substrat af guld nanoclusterne, hvorefter underlaget bliver blåt. Parallelt, guld nanoclusterne oxideres, som slukker fluorescensen. Begge optiske signaler er proportionale med glucosekoncentrationen og er følsomme i to komplementære koncentrationsområder.