Brug af lys til eksternt at udløse biokemiske reaktioner

(Phys.org) - Siden Edisons første pære, varme har været et stort set uønsket biprodukt af lys. Nu vender forskere ved Rice University lys til varme på det tidspunkt, hvor det er nødvendigt, på nanoskala, at udløse biokemiske reaktioner eksternt efter behov.

Metoden skabt af Rice labs af Michael Wong, Ramon Gonzalez og Naomi Halas og rapporterede i dag i American Chemical Society journal ACS Nano gør brug af materialer afledt af unikke mikrober - termofiler - der trives ved høje temperaturer, men lukker ned ved stuetemperatur.

Risprojektet ledet af postdoktor Matthew Blankschien og kandidatstuderende Lori Pretzer kombinerer enzymer fra disse væsener med plasmoniske guld-nanopartikler, der varmes op, når de udsættes for nær-infrarødt lys. Det aktiverer enzymerne, som derefter kan udføre deres funktioner.

Dette tillader effektivt, at kemiske processer sker ved lavere temperaturer. Fordi opvarmning kun sker, når det er nødvendigt - på overfladen af ​​nanopartiklen, hvor det aktiverer enzymet - miljøet forbliver køligere.

Blankschien synes, det er fascinerende.

"I bund og grund, vi får fordelene ved fremstilling ved høj temperatur uden at have brug for et miljø med høj temperatur, "sagde Blankschien, som vandt Peter og Ruth Nicholas postdoktorstipendium for to år siden for at arbejde med disse ideer. "Udfordringen var at holde den højere temperatur ved nanopartiklen, hvor enzymet aktiveres, fra at påvirke miljøet omkring det. "

Teknikken rummer et stort potentiale for industrielle processer, der nu kræver varme eller har gavn af fjernudløsning med lys.

”Implikationerne er ret spændende, "sagde Wong, professor i kemi og biomolekylær teknik og kemi. "I den kemiske industri, der er altid et behov for bedre katalytiske materialer, så de kan køre reaktioner billigere, mere 'grøn' og mere bæredygtig. Du bør ikke løbe gennem liter opløsningsmiddel for at lave et milligram produkt, selvom du tilfældigvis kan sælge det for mange penge. "

For industrien, de potentielle energibesparelser alene kan gøre risprocessen værd at undersøge. "Her bruger vi 'gratis' energi, "Sagde Wong." I stedet for at have brug for en stor kedel til at producere damp, du tænder en energieffektiv pære, som en LED. Eller åbn et vindue. "

Partiklen i midten af ​​processen er en guld-nanorod på cirka 10 nanometer bred og 30 lang, der varmes op, når den rammes med nær-infrarødt lys fra en laser. Stængerne har den helt rigtige størrelse og form til at reagere på lys på omkring 800 nanometer. Lyset ophidser overfladeplasmoner, der risler som vand i en pool, i dette tilfælde udsender energi som varme.

Halas 'Rice lab er berømt for at være banebrydende i brugen af ​​guld -nanoshells (et beslægtet materiale) til behandling af kræft ved at målrette tumorer med partikler, der er opvarmet i bulk for at dræbe tumorer indefra. Terapien er nu i forsøg med mennesker.

Den nye forskning tager en noget anden tack ved at opvarme nanopartikler draperet med et model termofilt enzym, glucokinase, fra Aeropyrum pernix. A. pernix er en mikrobe, der blev opdaget i 1996 og trives nær varme undervandsventiler ud for Japans kyst. Ved omkring 176 grader Fahrenheit, A. pernix nedbryder glukose, en proces, der er nødvendig for næsten alle levende ting. Enzymet kan opvarmes og afkøles gentagne gange.

I deres eksperimenter, Blankschien og Pretzer klonede, rensede og ændrede glucokinaseenzymer, så de ville fæstne sig til guldnanopartiklerne. Enzym/nanopartikelkomplekserne blev derefter suspenderet i en opløsning og testet for glukose -nedbrydning. Når opløsningen blev opvarmet i løs vægt, de fandt, at komplekserne blev meget aktive ved 176 grader, som forventet.

Derefter blev komplekserne indkapslet i en gelignende perle af calciumalginat, som hjælper med at holde varmen inde, men er porøs nok til at tillade enzymer at reagere med materialer omkring den. Under bulkopvarmning, enzymernes ydeevne faldt dramatisk, fordi perlerne isolerede enzymerne for godt.

Men da indkapslede komplekser blev belyst af kontinuerlige, nær-infrarødt laserlys, de fungerede væsentligt bedre end ved bulkopvarmning, mens de lod opløsningen stå ved stuetemperatur. Forskerne fandt komplekserne robuste nok til ugers genbrug.

"Så langt ude som det lyder, Jeg tror, ​​at kemiske virksomheder vil være interesseret i tanken om at bruge lys til at lave kemikalier, "Wong sagde." De er altid interesserede i nye teknologier, der kan hjælpe med at gøre kemiske produkter billigere. "

Han ser andre mulige anvendelser for den nye tilgang til produktion af brændstoffer fra nedbrydning af biomasse som lignocellulose; til lægemiddelfremstilling på forespørgsel-måske fra nanopartikelinfunderede tatoveringer på kroppen; eller endda til at sænke blodsukkerkoncentrationer som en anden måde at håndtere diabetes på.

"At vi nu kan lave disse partikler er fantastisk, "Wong sagde." Den næste spændende del er at tænke på, hvordan vi kan implementere dem. "

Ryan Huschka, medforfatter af papiret, er en tidligere Ris -kandidatstuderende og nu adjunkt i kemi ved Newman University. Halas er Stanley C. Moore -professor i elektro- og computerteknik, professor i biomedicinsk teknik, kemi, fysik og astronomi og direktør for Rices laboratorium for nanofotonik. Gonzales er lektor i kemisk og biomolekylær teknik og også inden for bioingeniør

Forskningen blev støttet af Peter og Ruth Nicholas Postdoctoral Fellowship Program administreret af Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, Rice University Institute of Biosciences and Bioengineering Hamill Innovations Award Program, Rice University Faculty Initiatives Fund, Robert A. Welch Foundation, National Security Science and Engineering Faculty Fellowship, Defense Threat Reduction Agency, luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning og National Science Foundation.