Projektet undersøger fjernstyring af enzymer ved hjælp af lys

Aktiviteten af ​​enzymer i industrielle processer, laboratorier, og levende væsener kan fjernstyres ved hjælp af lys. Dette kræver deres immobilisering på overfladen af ​​nanopartikler og bestråling med en laser. Nær-infrarødt lys kan trænge ind i levende væv uden at beskadige det. Nanopartiklerne absorberer strålingens energi og frigiver den tilbage i form af varme eller elektroniske effekter, udløser eller intensiverer enzymernes katalytiske aktivitet. Dette konfigurerer et nyt studiefelt kendt som plasmonisk biokatalyse.

Forskning udført ved University of São Paulo's Chemistry Institute (IQ-USP) i Brasilien undersøgte aktiviteten af ​​enzymer immobiliseret på guld-nanopartikler styret af infrarød laserbestråling. En artikel, der rapporterer resultaterne, er publiceret i ACS katalyse , et tidsskrift fra American Chemical Society.

Undersøgelsen blev støttet af São Paulo Research Foundation-FAPESP via et postdoc-stipendium og et stipendium til en forskningspraktik i udlandet tildelt hovedforfatteren, Heloise Ribeiro de Barros; et multibrugerudstyrstilskud; og det tematiske projekt "Optimering af de fysisk-kemiske egenskaber af nanostrukturerede materialer til anvendelser inden for molekylær genkendelse, katalyse og energiomdannelse/lagring", ledet af Roberto Manuel Torresi.

"Vi brugte en lipase [CaLB] som modelenzymet, immobiliseret på guld nanopartikler med to former - kugler og stjerner, Ribeiro de Barros fortalte. "Den infrarøde laser accelererede enzymets aktivitet non-invasivt blot ved at bestråle det med eksternt lys."

Undersøgelsen viste, at ikke kun materialets sammensætning, men også dets geometri påvirkede nanopartiklernes virkning på enzymet. "Den enzymatiske aktivitet blev væsentligt forbedret, da lipasen blev immobiliseret på guld nanostjerner, viser en stigning på op til 58 %, " sagde Ribeiro de Barros. "Til sammenligning, guld nanosfærerne fremmede en meget mindre stigning på 13%. Den større stigning svarede til effekten af ​​resonans mellem overfladerne af nanostjernerne og stråling fra laseren."

Den størrelse, der tages i betragtning her, er lokaliseret overfladeplasmonresonans (LSPR). Mens LSPR af nanosfærerne absorberer ved 525 nanometer, den for nanostjernerne når 700 nm, meget tættere på den infrarøde laserbølgelængde, hvilket er 808 nm.

"Det indfaldende lys sætter gang i energidrevne processer i guldnanopartiklerne, såsom temperaturstigning eller elektroniske effekter, og dette påvirker egenskaberne af de enzymer, der er immobiliseret på deres overflader, " sagde Ribeiro de Barros. "Det var muligt at konkludere, at lokal fototermisk opvarmning på overfladerne af guld nanostjernerne fremmet af LSPR excitation førte til forbedret lipase biokatalyse. Denne konklusion kan udvides til andre kombinationer af enzymer og plasmoniske nanopartikler."

Den brede vifte af potentielle anvendelser omfatter biokatalyse for at accelerere kemiske reaktioner i industriel skala og in vivo kontrol af sygdomsfremkaldende enzymer. I en længere fremtid, denne form for proces kunne tænkes at blive brugt til at behandle sygdomme som Parkinsons og Alzheimers. Mere forskning vil være påkrævet, før det kan blive et ægte alternativ, selvfølgelig.

"Fra et medicinsk synspunkt, hovedformålet med undersøgelsen var at pege på løsninger i den nærmeste fremtid til behandling af sygdomme uden behov for invasiv kirurgi og med en specifik rumlig og tidsmæssig tilgang for at undgå bivirkningerne af nuværende metoder, " sagde Ribeiro de Barros.