Onderzoekers ontwikkelen minimale nanozymen met een capaciteit voor het opvangen van koolstofdioxide

Onderzoekers van de Autonome Universiteit van Barcelona (UAB) hebben minimale nanozymen ontwikkeld met het vermogen om koolstofdioxide (CO2) op te vangen₂) uitgestoten in industriële processen – en toepasbaar op andere milieusaneringsprocessen – gebaseerd op kunstmatige moleculaire structuren gevormd door de peptiden van slechts zeven aminozuren.

Deze nieuwe moleculen zouden ook kunnen fungeren als metallo-enzymen, en dit opent nieuwe mogelijkheden in biotechnologisch onderzoek. De studie levert ook een nieuwe bijdrage aan de oorsprong van katalytische activiteit aan het begin van het leven.

Het onderzoek, met Salvador Ventura als coördinator en Susanna Navarro als eerste auteur, vond onlangs plaats gepubliceerd in ACS Nano. Beiden zijn onderzoekers aan het Instituut voor Biotechnologie en Biogeneeskunde en aan de UAB-afdeling Biochemie en Moleculaire Biologie, en hebben in het onderzoek samengewerkt met onderzoekers van de UAB-afdeling Scheikunde en het Onderzoekscentrum bioGUNE.

In 2018 zijn UAB-onderzoekers erin geslaagd zeer korte moleculen te creëren die in staat zijn tot zelfassemblage, geïnspireerd door het natuurlijke vermogen tot zelfassemblage van amyloïde fibrillen, en gebaseerd op een specifieke sequentiebepaling van prioneiwitten. Deze kunstmatige amyloïden hebben katalytische activiteiten, met voordelen zoals modulariteit, flexibiliteit, stabiliteit en hergebruik in vergelijking met natuurlijke enzymen.

Nu hebben onderzoekers hun vermogen ontdekt om effectief aan metaalionen te binden en te fungeren als metaal- en metallo-enzymopslagelementen.

“Deze peptiden waren bijzonder omdat ze niet de typische aminozuren bevatten, zoals histidine, dat vaak als essentieel wordt beschouwd voor de coördinatie van metaalionen in enzymen, en waarvan men dacht dat ze essentieel waren voor de katalytische activiteit. verrijkt met residuen van tyrosine, een element dat, hoewel minder bekend in deze context, ook het unieke vermogen kan hebben om zich te binden aan metaalionen als het zich in de juiste structurele context bevindt. Het vermogen van Tyrosine om dit te doen is wat we hebben gebruikt om onze nanozymen te creëren ’, aldus Ventura.

De resultaten kunnen op verschillende gebieden worden toegepast. Ten eerste zijn nanozymen stabiel en kunnen ze worden gebruikt voor milieusanering, bij afvalwaterzuiveringsprocessen of verontreinigde bodems, gezien hun opmerkelijke vermogen om metaalionen vast te leggen.

Ten tweede kunnen ze functioneren als metallo-enzymen, die in staat zijn reacties te katalyseren onder omstandigheden waarin de huidige enzymen, die veel minder stabiel zijn, niet in staat zouden zijn te handelen. Dit opent nieuwe mogelijkheden in het onderzoek naar de biotechnologie, zoals het katalyseren van reacties bij extreme temperaturen en pH-waarden.

Op basis van de nanozymen die ze hebben ontworpen, zijn onderzoekers ervan overtuigd dat ze met succes een minimalistische variant van een koolzuuranhydrase-enzym hebben ontwikkeld dat in staat is CO2 efficiënt op te slaan.₂ uitgestoten door broeikasgassen, en tegen veel lagere productiekosten dan natuurlijke enzymen.

Nieuw perspectief op voorouderlijke enzymen

Om deze nieuwe nanozymen te verkrijgen, vormden onderzoekers de hypothese dat katalytische activiteit aan de oorsprong van het leven zou kunnen zijn ontstaan ​​als resultaat van de zelfassemblage van korte, laag-complexe peptiden tot structuren die lijken op amyloïden en die fungeerden als de oer-voorouderlijke enzymen.

“Aantonen dat deze moleculen een katalytische werking hebben zonder de noodzaak van conventionele, op histidine gebaseerde coördinatie vertegenwoordigt een significante verandering in de manier waarop we de oorsprong van katalytische activiteit aan het begin van het leven begrijpen. We weten nu dat deze activiteit kan worden bereikt als de voorouderlijke peptiden bevatten Daarom suggereren we dat het zeer waarschijnlijk is dat de voorouderlijke enzymen op basis van amyloïden dit tweede aminozuur ook in hun chemische reacties hebben gebruikt”, besluit Ventura.

In het onderzoek combineerden onderzoekers experimenten en simulaties met behulp van een verscheidenheid aan technieken, zoals spectrofotometrie, fluorescentie, elektronenmicroscopie, elektronendiffractie en geavanceerde computationele modellering.