Nanomachines ontdekken in levende organismen: Cytochromes P450 ontketend als levende zachte robots

Een nieuwe studie onthult een belangrijke ontdekking op het gebied van nanomachines binnen levende systemen. Prof. Sason Shaik van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en Dr. Kshatresh Dutta Dubey van de Shiv Nadar University voerden moleculair-dynamische simulaties uit van Cytochromes P450 (CYP450s) enzymen, waaruit bleek dat deze enzymen unieke soft-robot eigenschappen vertonen.

Cytochroom P450 (CYP450s) zijn enzymen die worden aangetroffen in levende organismen en die een cruciale rol spelen in verschillende biologische processen, met name bij het metabolisme van geneesmiddelen en xenobiotica. De simulaties van de onderzoekers toonden aan dat CYP450’s een vierde dimensie hebben: het vermogen om prikkels waar te nemen en erop te reageren, waardoor ze soft-robot nanomachines worden in ‘levende zaken’.

In de katalytische cyclus van deze enzymen bindt een molecuul, een substraat genaamd, zich aan het enzym. Dit leidt tot een proces dat oxidatie wordt genoemd. De structuur van het enzym heeft een besloten ruimte waardoor het kan fungeren als een sensor en een zachte robot.

Het interageert met het substraat met behulp van zwakke interacties, zoals zachte schokken. Deze interacties brengen energie over, waardoor delen van het enzym en de moleculen erin bewegen. Deze beweging genereert uiteindelijk een speciale stof genaamd oxoiron-soorten, waardoor het enzym een ​​verscheidenheid aan verschillende stoffen kan oxideren.

De belangrijkste conclusie van deze moleculair-dynamische simulaties is dat de katalytische cyclus van CYP450’s complex is maar een logische volgorde volgt. De beperkte ruimte van het enzym, de strategische plaatsing van residuen en de kanalen zorgen ervoor dat het een gevoelige sensor is van het substraat, zijn eigen heemveranderingen en conformationele verschuivingen in de actieve site. Dit sensing-response-vermogen creëert een zachte robot met een vierde dimensie van sensing, iets dat voorheen ongezien was in gewone 3D-materie.

“We hebben ontdekt dat CYP450’s fungeren als zachte robotmachines in ‘levende zaken’, met een opmerkelijk detectie- en reactie-actievermogen. Dit is een opwindende onthulling en we geloven dat vergelijkbare mechano-transductiemechanismen van zachte-impactsignalen zouden kunnen zijn aan het werk in andere soft-robotmachines in de natuur”, aldus prof. Sason Shaik, een van de hoofdonderzoekers.

De bevindingen openen nieuwe wegen in het onderzoek naar soft-robotica, aangezien 4D-materialen aan betekenis winnen, aangedreven door externe triggers. Deze materialen, zoals hydrogels geproduceerd door 3D-printen, lijken op enzymen in hun vermogen om veranderingen waar te nemen en teweeg te brengen. De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan het domein van biologie en chemie, en kunnen mogelijk een revolutie teweegbrengen op gebieden als het ontwerp van kunstmatige intelligentie en zelfontwikkelende synthese van polymeren/gels.

Dr. Kshatresh Dutta Dubey, mede-onderzoeker van de studie, voegde toe: “We gaan een opwindend tijdperk in voor de chemie, waarin zachte robotica en intelligent ontwerp van nanomachines kunnen leiden tot ongekende vooruitgang. De toekomst kan getuige zijn van de creatie van zelfontwikkelende polymeren en eeuwigdurende nanomachines die naar believen nieuwe moleculen kunnen synthetiseren.”

De wetenschappers zijn van mening dat de integratie van de taal van zachte robots en machineprogrammering de vooruitgang in de ontwikkeling van 4D-materialen zou kunnen versnellen en het volledige potentieel van zachte robots zou kunnen ontsluiten.

Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift Trends in de chemie.