Spatiotemporal regulering af kemiske reaktioner ved kun at bruge hørbar lyd

Spatiotemporal regulering af flertrins enzymreaktioner gennem kompartmentalisering er essentiel i undersøgelser, der efterligner naturlige systemer såsom celler og organeller. Indtil nu har videnskabsmænd brugt liposomer, vesikler eller polymersomer til fysisk at adskille de forskellige enzymer i rum, der fungerer som "kunstige organeller". Men nu har et hold ledet af direktør KIM Kimoon ved Center for Selvsamling og Kompleksitet inden for Institute for Basic Science i Pohang, Sydkorea med succes demonstreret den samme spatiotemporale regulering af kemiske reaktioner ved kun at bruge hørbar lyd, som er helt anderledes end de tidligere nævnte metoder. Deres undersøgelse vises i Nature Communications .

Lyd er meget brugt i fysik, materialevidenskab og andre områder, men er sjældent blevet brugt i kemi. Især hørbar lyd (i området 20-20.000 Hz) er hidtil ikke blevet brugt i kemiske reaktioner på grund af dens lave energi. Men for første gang havde den samme gruppe fra IBS tidligere med succes demonstreret den spatiotemporale regulering af kemiske reaktioner gennem en selektiv opløsning af atmosfæriske gasser via stående bølger genereret af hørbar lyd tilbage i 2020.

Senere observerede de nøje bevægelsen af ​​opløsningen induceret af den hørbare lyd og fandt ud af, at opløsningen var adskilt og ikke blandet sammen på grund af bølgens nodeområde, som om de forskellige lag var blokeret af en usynlig væg. De kaldte dette forbigående domæne af løsningen skabt af hørbar lyd pseudo-kompartmentalisering og brugte det til at kontrollere enzymbaserede kaskadereaktionsnetværk i en opløsning. I dette fænomen blandes strømmen af ​​væske, der induceres i en beholder, der vibrerer op og ned af hørbar lyd, ikke med hinanden omkring bølgens knude, og som sådan bliver opløsningen naturligt opdelt.

Dette nye fund inspirerede gruppen til at bruge dette fænomen til at forsøge spatiotemporal regulering af flertrins enzymreaktioner. Normalt kræver dette, at der skabes kunstige rum ved hjælp af lipider, eller der bruges generelt polymerer, men Kims gruppe viste, at det kan lade sig gøre med kun hørbar lyd. For at opnå dette har de designet et smart system ved at udnytte det faktum, at ilt i luften kun opløses i antinodeområdet af den vibrerende opløsning (figur 1).

For at teste dette system udførte Kim's Group en flertrins enzymreaktion bestående af glucoseoxidase (GOx) og peberrodsperoxidase (HRP). I det første trin katalyserer enzymet GOx oxidationen af ​​glucose og producerer hydrogenperoxid. Dette peroxid bruges derefter af enzymet HRP til at brænde det andet trin, som involverer oxidation af farveløst ABTS-farvestof til cyanfarvet ABTS-radikal. Forskerne ville vide, at deres system fungerede efter hensigten, hvis den cyanfarve dukkede op i bestemte områder i opløsningen.

Som forventet var forfatterne i stand til visuelt at observere cyanfarvede koncentriske ringmønstre, hvilket bekræftede, at de lykkedes med spatiotemporal kontrol af GOx-HRP-kaskadereaktionen ved kun at bruge hørbar lyd (figur 2). Forfatterne viste yderligere, at denne metode kan udvides til at kontrollere den redox-drevne in situ vækst eller pH-responsive selvsamling af nanopartikler inden for spatiotemporale domæner til stede i opløsningen. (Figur 3A). Derudover præsenterede forfatterne også fremstillingen af ​​nanopartikelmønstrede hydrogeler, som kun indeholdt selvsamlede partikler i udvalgte regioner. Disse geler kan bruges i regionsspecifikke cellevækstplatforme (figur 3B).

"Denne nye tilgang med hørbar lyd vil give en helt ny og pålidelig strategi til at kontrollere kemiske processer inden for forudsigelige, men forbigående genererede pseudo-rum i en løsning," forklarer direktør Kim. + Udforsk yderligere

Se kemiske reaktioner med musik