Opdagelse af nanomaskiner i levende organismer:Cytochromes P450 sluppet løs som levende bløde robotter

En ny undersøgelse afslører en vigtig opdagelse inden for nanomaskiners rige i levende systemer. Prof. Sason Shaik fra det hebraiske universitet i Jerusalem og dr. Kshatresh Dutta Dubey fra Shiv Nadar University udførte molekylær-dynamik-simuleringer af Cytochromes P450 (CYP450s) enzymer, hvilket afslørede, at disse enzymer udviser unikke bløde robotegenskaber.

Cytokromer P450 (CYP450s) er enzymer, der findes i levende organismer og spiller en afgørende rolle i forskellige biologiske processer, især i metabolismen af ​​lægemidler og xenobiotika. Forskernes simuleringer viste, at CYP450'er besidder en fjerde dimension - evnen til at fornemme og reagere på stimuli, hvilket gør dem til bløde robot-nanomaskiner i "levende materier."

I den katalytiske cyklus af disse enzymer binder et molekyle kaldet et substrat til enzymet. Dette fører til en proces kaldet oxidation. Enzymets struktur har et begrænset rum, der gør det muligt at fungere som en sensor og en blød robot.

Det interagerer med underlaget ved hjælp af svage interaktioner, såsom bløde stød. Disse interaktioner overfører energi, hvilket får dele af enzymet og molekylerne inde i det til at bevæge sig. Denne bevægelse genererer i sidste ende et særligt stof kaldet oxoiron-arter, som gør det muligt for enzymet at oxidere en række forskellige stoffer.

Det vigtigste ved disse simuleringer af molekylærdynamik er, at den katalytiske cyklus af CYP450s er kompleks, men følger en logisk sekvens. Enzymets begrænsede plads, strategiske restplaceringer og kanaler gør det muligt at være en følsom sensor for substratet, dets egne hæmændringer og konformationelle skift i det aktive sted. Denne sanse-respons-evne skaber en blød robot med en fjerde dimension af sansning, noget som tidligere ikke var set i almindeligt 3D-stof.

"Vi har opdaget, at CYP450'er fungerer som bløde robotmaskiner i 'levende sager', der viser en bemærkelsesværdig sanse- og respons-handlingsevne. Dette er en spændende åbenbaring, og vi tror på, at lignende mekano-transduktionsmekanismer af soft-impact signaler kan være på arbejde i andre bløde robot-maskiner i naturen," udtalte Prof. Sason Shaik, en af ​​de førende forskere.

Resultaterne åbner nye veje inden for forskning i blød robotteknologi, da 4D-materialer får betydning, drevet af eksterne triggere. Disse materialer, såsom hydrogeler produceret gennem 3D-print, ligner enzymer i deres evne til at fornemme og fremkalde ændringer. Implikationerne af denne opdagelse strækker sig ud over biologi og kemi, og potentielt revolutionerer områder som kunstig intelligens-design og selvudviklende polymerer/gel-syntese.

Dr. Kshatresh Dutta Dubey, medforsker af undersøgelsen, tilføjede:"Vi går ind i en spændende æra for kemi, hvor blød robotteknologi og intelligent design af nanomaskiner kan føre til hidtil usete fremskridt. Fremtiden kan være vidne til skabelsen af ​​selvudviklende polymerer og evige nanomaskiner, der er i stand til at syntetisere nye molekyler efter behag."

Forskerne mener, at integrationen af ​​det bløde robotsprog og maskinprogrammering kan fremskynde fremskridtene i udviklingen af ​​4D-materialer og frigøre det fulde potentiale af blød robotteknologi.

Artiklen er offentliggjort i tidsskriftet Trends in Chemistry .

Flere oplysninger: Sason Shaik et al., Nanomachines in living matters:the soft-robot cytochrome P450, Trends in Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.trechm.2023.07.002

Journaloplysninger: Trends i kemi

Leveret af Hebrew University of Jerusalem