Forskere udvikler minimale nanozymer med kuldioxidopfangningskapacitet

Forskere fra Autonomous University of Barcelona (UAB) har udviklet minimale nanozymer med kapacitet til at opfange kuldioxid (CO₂ ) udsendes i industrielle processer - og anvendelig til andre miljømæssige afhjælpningsprocesser - baseret på kunstige molekylære strukturer dannet af peptiderne af kun syv aminosyrer.

Disse nye molekyler kunne også fungere som metalloenzymer, og det åbner op for nye muligheder inden for bioteknologisk forskning. Undersøgelsen giver også et nyt bidrag til oprindelsen af ​​katalytisk aktivitet i begyndelsen af ​​livet.

Forskningen, med Salvador Ventura som koordinator og Susanna Navarro som første forfatter, blev for nylig offentliggjort i ACS Nano . Begge er forskere ved Institut for Bioteknologi og Biomedicin og ved UAB Institut for Biokemi og Molekylær Biologi, og har arbejdet sammen i undersøgelsen med forskere fra UAB Institut for Kemi og Forskningscentret bioGUNE.

I 2018 lykkedes det UAB-forskere at skabe meget korte molekyler, der er i stand til at samle sig selv, inspireret af den naturlige evne til selv at samle amyloidfibriller og baseret på en specifik sekventering af prionproteiner. Disse kunstige amyloider har katalytiske aktiviteter med fordele som modularitet, fleksibilitet, stabilitet og genbrug sammenlignet med naturlige enzymer.

Nu har forskere opdaget deres evne til at binde sig til metalioner effektivt og fungere som metal- og metalloenzym-lagerelementer.

"Disse peptider var særlige, da de ikke indeholdt de typiske aminosyrer, såsom histidin, som ofte anses for at være essentiel for koordineringen af ​​metalioner i enzymer, og som man mente var essentielle for katalytisk aktivitet. Derimod var de beriget med rester fra tyrosin, et grundstof, som selvom det er mindre kendt i denne sammenhæng, også kan have den unikke evne til at binde sig til metalioner, hvis det befinder sig i den korrekte strukturelle sammenhæng, er det, vi brugte til at skabe vores nanozymer ," sagde Ventura.

Resultaterne kan anvendes på flere områder. For det første er nanozymer stabile og kan bruges til miljøsanering, i spildevandsbehandlingsprocesser eller forurenet jord på grund af deres bemærkelsesværdige kapacitet til at binde metalioner.

For det andet kan de fungere som metalloenzymer, der er i stand til at katalysere reaktioner under forhold, hvor nuværende enzymer, meget mindre stabile, ville være ude af stand til at virke. Dette åbner op for nye muligheder inden for forskning i bioteknologi, såsom at katalysere reaktioner i ekstreme temperaturer og pH-værdier.

Baseret på de nanozymer, de har designet, er forskerne overbevist om, at de med succes har udviklet en minimalistisk variant af et kulsyreanhydraseenzym, der effektivt kan lagre CO₂ udledes af drivhusgasser og til meget lavere produktionsomkostninger end naturlige enzymer.

Nyt perspektiv på forfædres enzymer

For at opnå disse nye nanozymer dannede forskere den hypotese, at katalytisk aktivitet ved livets oprindelse kunne være opstået som et resultat af selvsamlingen af ​​korte peptider med lav kompleksitet til strukturer svarende til amyloider, der fungerede som de primære forfædres enzymer.

"At vise, at disse molekyler har katalytisk virkning uden behov for konventionel histidin-baseret koordination, repræsenterer en væsentlig ændring i, hvordan vi forstår oprindelsen af ​​katalytisk aktivitet i starten af ​​livet. Vi ved nu, at denne aktivitet kan opnås, hvis de forfædres peptider indeholder Derfor foreslår vi, at det er højst sandsynligt, at de forfædres enzymer baseret på amyloider også brugte denne anden aminosyre i deres kemiske reaktioner," slutter Ventura.

I undersøgelsen kombinerede forskere eksperimenter og simuleringer ved at bruge en række forskellige teknikker såsom spektrofotometri, fluorescens, elektronmikroskopi, elektrondiffraktion og avanceret beregningsmodellering.

Flere oplysninger: Susanna Navarro et al., Amyloidfibriller dannet af korte prion-inspirerede peptider er metalloenzymer, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04164

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Autonomous University of Barcelona