Nanoenzymen ontworpen met een unieke combinatie van structuur en functies

Nanoenzymen ontworpen met een unieke combinatie van structuur en functies

(A) Ruimtelijke organisatie van de katalytische biostructuren. (B) en (C) Detail van de twee soorten aminozuren en hun interacties. Krediet: Universitat Autònoma de Barcelona

Onderzoekers van de UAB hebben minimalistische biostructuren ontworpen die natuurlijke enzymen imiteren en die dankzij een unieke combinatie van structurele en functionele eigenschappen twee gedifferentieerde en reversibel gereguleerde activiteiten kunnen uitvoeren. De gebruikte strategie opent de deur naar de creatie van “intelligente” nanomaterialen met op maat gemaakte combinaties van katalytische functies.

Er is een toenemende belangstelling voor synthetische systemen die biogeïnspireerde chemische reacties kunnen uitvoeren zonder de complexe structuren die de enzymen in hun componenten kenmerken, nodig te hebben. Een van de meest onderzochte benaderingen is de zelfassemblage van peptiden – moleculen die kleiner zijn dan eiwitten – vanwege hun biocompatibiliteit en hoe hun structurele en functionele eigenschappen kunnen worden gecontroleerd.

Onderzoekers van het Instituut voor Biotechnologie en Biogeneeskunde aan de Universitat Autònoma de Barcelona (IBB-UAB) hebben onlangs een van de kleinste mimetische enzymstructuren ooit ontworpen. Deze peptiden zijn opgebouwd uit zeven tot negen aminozuren die spontaan zelf worden samengesteld om stabiele amyloïde vezels en vaste hydrogels te vormen, onschadelijk voor cellen.

Peptiden worden gevormd met slechts twee soorten in water oplosbare aminozuren (tyrosine en histidine), een binaire code die alle informatie bevat die nodig is om nanostructuren te vormen. Bovendien zijn ze omkeerbaar en kunnen ze twee gedifferentieerde en niet-gerelateerde katalytische activiteiten uitvoeren.

Onderzoekers zijn erin geslaagd een systeem te creëren dat eenvoudiger is en de enzymatische activiteit beter kan beheersen, en voor het eerst een structuur waarin dezelfde aminozuren die voor katalytische activiteit zorgen, ook bijdragen aan het vormgeven van de macromoleculaire architectuur. In eerdere studies waren deze capaciteiten gescheiden in verschillende regio’s van het molecuul, wat resulteerde in langere peptiden en / of peptiden met een enkele functie.

“De keerzijde van de vraag is dat de katalytische activiteit van vezels en hydrogels alleen kan worden bereikt als de peptiden zichzelf assembleren”, legt Salvador Ventura uit, coördinator van het onderzoek. “De strategie die we hebben gebruikt, legt de basis voor het creëren van” intelligente “nanostructuurmaterialen, met op maat gemaakte combinaties van katalytische functies voor een aantal praktische toepassingen.”

Unieke eigenschappen

Tot nu toe misten de meeste minimalistische peptiden die werden ontworpen een van de belangrijkste capaciteiten van natuurlijke enzymen: het vermogen om hun activiteit omkeerbaar te reguleren. In deze studie slaagden onderzoekers erin om de assemblagecapaciteit te regelen, waardoor actieve en inactieve vormen kunnen worden afgewisseld met eenvoudige pH-veranderingen.

Bovendien hebben de nieuwe peptiden eigenschappen die natuurlijke enzymen niet hebben, aangezien deze alleen katalytische activiteiten uitvoeren. Nu bevatten de peptiden twee verschillende soorten activiteiten (hydrolitisch en elektrokatalytisch) die gelijktijdig of afwisselend kunnen worden uitgevoerd. In elk ander geval zouden hiervoor twee structureel verschillende kunstmatige enzymen nodig zijn, die honderden keren groter en duurder zouden zijn.

Een ander kenmerk van deze nieuwe kunstmatige enzymen waarop onderzoekers wijzen, is de spontaniteit van zelfassemblage, wat inhoudt dat er geen behoefte is aan extra chemische reagentia of de toepassing van warmte, die giftig kunnen blijken te zijn of drastische effecten kunnen hebben op de structuur. .

Meer efficiëntie en zuinigheid

Hydrogels en amyloïde-achtige vezels maken het mogelijk om solide en efficiëntere en zuinigere microreactoren te genereren, waarin het eindproduct van de reactie gemakkelijk kan worden gescheiden van het kunstmatige enzym.

“De macromoleculaire structuren die we hebben weten te creëren, kunnen belangrijke toepassingen hebben in de microfluïdica, en ook bij het toedienen van medicijnen, omdat ze het medicijn in zijn geassembleerde staat kunnen inkapselen en het op een specifieke manier kunnen bevrijden zodra de juiste celcontext is bereikt, simpelweg demontage, “benadrukt Salvador Ventura.

Salvador Ventura is hoofd van de groep Protein Folding and Conformational Diseases bij de IBB. “We zijn pas drie jaar geleden begonnen met de nanotechnologische onderzoekslijnen, maar onze kennis over het moleculaire mechanisme van eiwitassemblage in amyloïde structuren heeft ons geholpen nieuwe functionele, synthetische nanomaterialen te ontwikkelen met eigenschappen die niet kunnen worden bereikt met natuurlijke peptiden of eiwitten”, zegt hij. .


Meer informatie:
Marta Díaz-Caballero et al. pH-responsieve zelfassemblage van amyloïde fibrillen voor dubbele hydrolase-oxidase-reacties, ACS Catalysis (2020). DOI: 10.1021 / acscatal.0c03093

Journal informatie:
ACS Catalysis

Geleverd door Autonome Universiteit van Barcelona

Nieuwste artikelen

spot_img

Related Stories

Leave A Reply

Vul alstublieft uw commentaar in!
Vul hier uw naam in