Kunstigt enzym efterligner den naturlige afgiftningsmekanisme i leverceller

Forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz i Tyskland har opdaget, at molybdæntrioxid-nanopartikler oxiderer sulfit til sulfat i leverceller i analogi med enzymet sulfitoxidase. De funktionaliserede molybdæntrioxid-nanopartikler kan krydse cellemembranen og akkumulere ved mitokondrierne, hvor de kan genvinde aktiviteten af ​​sulfitoxidase.

Sulfitoxidase er et molybdænholdigt enzym placeret i mitokondrierne i lever- og nyreceller, som katalyserer oxidationen af ​​sulfit til sulfat under protein- og lipidmetabolismen og spiller derfor en vigtig rolle i cellulære afgiftningsprocesser. Mangel på funktionel sulfitoxidase er en sjælden, men dødelig genetisk sygdom, der forårsager neurologiske lidelser, mental retardering, fysiske deformiteter samt nedbrydning af hjernen, som til sidst fører til for tidlig død. Forskellige diæt- eller lægemiddelbehandlinger for en sulfitoxidase-mangel er blevet prøvet med moderat succes.

Det var den kendsgerning, at molybdænoxid er inkorporeret i enzymernes aktive site, der gav inspiration til den tilgang, som nu er taget af teamet af forskere, der arbejder under ledelse af professor Wolfgang Tremel fra JGU Institute of Inorganic Chemistry and Analytical Chemistry samt Dr. Dennis Strand og professor Susanne Strand fra Institut for Intern Medicin ved Mainz University Medical Center. Forskerne håber, at denne undersøgelse kan lægge grundlaget for en terapeutisk anvendelse af molybdæntrioxid-nanopartikler og dermed nye muligheder for at behandle sulfitoxidase-mangel.

Sænkede niveauer af sulfitoxidase kan forårsage helbredsproblemer selv for ellers raske personer. Ud over, sulfitter bruges som konserveringsmidler i fødevarer, f.eks., i rødvin, drue saft, eller pickles i en krukke. Mennesker med lave niveauer af sulfitoxidase reagerer med symptomer som træthed, astma, fald i blodsukkeret, eller hovedpine.

Med deres undersøgelse går Mainz-forskerne ind på et videnskabeligt ukendt territorium, fordi der indtil videre kun er nogle få undersøgelser af enzymatisk aktive nanopartikler. "Det er virkelig forbløffende, at simple uorganiske nanopartikler kan efterligne en enzymatisk aktivitet, " sagde Ruben Ragg, første forfatter til denne undersøgelse. I et tidligere arbejde havde professor Wolfgang Tremel og hans team vist, at nanotråde af vanadiumoxid indeholder en enzymatisk induceret antifouling-aktivitet, der effektivt forhindrer skibe i at blive inficeret af marine mikroorganismer. "Det er et langvarigt mål for kemi at syntetisere kunstige enzymer, der efterligner de væsentlige og generelle principper for naturlige enzymer, " tilføjede Tremel. Der er voksende beviser for, at nanopartikler kan fungere som enzymefterligninger. Nogle nanomaterialer blev rapporteret at udvise enzymlignende aktiviteter, men kendetegnet ved enzymkemi ville være at katalysere transformationer i celler i nærvær af andre konkurrerende reaktioner. Det er svært at opnå, da det kræver kompatibilitet med andre cellulære reaktioner, der fungerer under lignende forhold og hastigheder. Derfor, kunstige enzymer er ikke kun nyttige til forståelse af reaktionsmekanismen for native enzymer, men også til fremtidige anvendelser som terapeutiske midler.

På samme tid, brugen af ​​molybdæn nanopartikler ville have flere fordele. "Molybdænoxidpartikler er betydeligt billigere og også mere stabile end genetisk producerede enzymer, " tilføjede Dr. Filipe Natalio, samarbejdspartner fra Martin Luther Universitetet i Halle-Wittenberg. Natalio designer nye materialer, der kan efterligne komplekse strukturer, der findes i naturen, ved at samle en bred vifte af ekspertise fra materialevidenskab til biologi og kemi. De næste trin i projektet bliver at teste, om nanopartiklernes enzymaktivitet kan fastholdes i levende organismer.

Forskerholdene blev støttet af en tværfaglig bevilling fra JGU Center for Naturvidenskab og Medicin (NMFZ) og Max Planck Graduate Center (MPGC).