En silica nanostruktur med kemo-enzymatisk opdeling

Da COVID-19-vaccinationer er godt i gang, mennesker venter på at vende tilbage til det normale liv. Imidlertid, frygt vokser også på grund af uforudsete bivirkninger som den sjældne trombose. I kroppen, liv opretholdes ved bevægelse af stoffer eller energi. Kemiske reaktioner reguleres af tilstedeværelsen af ​​organeller, eller kernestrukturer i celler, der rummer specifikke enzymer eller kofaktorer. En nanoreaktor med både aktiviteten af ​​en syntetisk katalysator, såsom en kunstig organel, der efterligner en celle, og egenskaberne af et enzym, skaber en platform til selektiv syntetisering af naturlige enantiomere bioaktive molekyler, der kan reagere på patogener i kroppen. Imidlertid, indtil nu, en nanoreaktor med funktionerne af både en syntetisk katalysator og et enzym til en sådan platform er ikke blevet rapporteret.

Til denne ende, et forskerhold på POSTECH har for nylig syntetiseret en kemo-enzymatisk nanostruktur, der selektivt kan syntetisere en enantiomer, mens den fungerer som en kunstig organel i cellen.

Et forskerhold ledet af professor In Su Lee, Forskningsprofessor Amit Kumar, og ph.d. kandidat Seonock Kim fra POSTECHs afdeling for kemi er lykkedes med at designe en silica nanostruktur (SiJAR) som en kunstig organel til selektiv syntese af enantiomerer i celler. Dette forskningsresultat blev valgt som forsiden af Angewandte Chemie , og offentliggjort online den 21. juni, 2021.

Den første overvejelse ved design af nanostrukturer til intracellulære applikationer er stabilt at co-lokalisere og opretholde den reaktive overflade af katalytiske nanokrystaller, samtidig med at enzymet beskyttes mod inaktivering. Indtil nu, katalysering af naturinspirerede hule nanostrukturer, der rummer katalytiske nanokrystaller eller enzymer, eller begge, er kun blevet eksperimentelt bevist og er ikke blevet påvist i levende organismer. Dette skyldes, at mikroporøse lukkede nanostrukturer begrænser adgang og co-lokalisering af katalytiske nanokrystaller og store biomolekyler.

Forskergruppen syntetiserede runde krukkeformede SiJAR'er med kemoresponsive metal-silikatlåg ved at ændre den kemiske sammensætning af en sektion i reaktoren ved hjælp af spatiotemporal-kontrolleret termisk konverteringskemi. På grund af den opdelte konfiguration af SiJAR, forskellige katalytiske ædelmetaller (Pt, Pd, Ru) blev selektivt modificeret på låg-sektionen ved galvaniske reaktioner. Efterfølgende, låget blev åbnet under milde sure forhold eller et intracellulært miljø, skaber en bred passage ind i skallen, mens den resterende metalkatalysator af låget flyttes indad. Denne åbne struktur rummer store enzymer, hvilket letter indkapsling.

Nanoreaktoren, der er syntetiseret i denne undersøgelse, består af silica med høj biokompatibilitet og ved at beskytte katalytiske nanokrystaller eller store biomolekyler i et åbent silica-rum, den udførte asymmetrisk aldolreaktion med høj enantioselektivitet via en enzym-metal kooperativ overgangstilstandsstabilisering. Ud over, forskerne bekræftede, at det fungerer som en kunstig katalytisk organel ved stabilt at udføre reaktionen inde i levende celler.

Den hybrid kemoenzymatiske nanodeenhed, kan tilpasses gennem denne sofistikerede solid-state-konverteringsstrategi, har en struktur og funktion, der ligner den for intracellulære organeller, og kan bruges til syntetisering af aktive terapeutika og bioimaging prober lokalt inde i celler for at være egnet til brug i næste generations bioimaging og behandling.

"Med resultaterne af denne forskning ved hjælp af de unikke Nanospace-Confined Chemical Reactions (NCCR), vi ser frem til at udvikle den teknologi, der kunstigt regulerer cellefunktioner, "kommenterede professor In Su Lee, der ledede undersøgelsen.