Project onderzoekt het op afstand besturen van enzymen met behulp van licht

De activiteit van enzymen in industriële processen, laboratoria en levende wezens kan op afstand worden bediend met licht. Dit vereist hun immobilisatie op het oppervlak van nanodeeltjes en bestraling met een laser. Bijna-infrarood licht kan levend weefsel binnendringen zonder het te beschadigen. De nanodeeltjes absorberen de energie van de straling en geven deze weer af in de vorm van warmte of elektronische effecten, waardoor de katalytische activiteit van de enzymen wordt geactiveerd of versterkt. Dit vormt een nieuw studiegebied dat bekend staat als plasmonische biokatalyse.

Onderzoek uitgevoerd aan het Chemie Instituut van de Universiteit van São Paulo (IQ-USP) in Brazilië onderzocht de activiteit van enzymen geïmmobiliseerd op gouden nanodeeltjes gecontroleerd door infrarood laserbestraling. Een artikel met de resultaten is gepubliceerd in ACS Catalysis, een tijdschrift van de American Chemical Society.

De studie werd ondersteund door de São Paulo Research Foundation — FAPESP via een postdoctorale beurs en een studiebeurs voor een onderzoeksstage in het buitenland, toegekend aan de hoofdauteur, Heloise Ribeiro de Barros; een toekenning van apparatuur voor meerdere gebruikers; en het thematische project “Optimalisatie van de fysisch-chemische eigenschappen van nanogestructureerde materialen voor toepassingen in moleculaire herkenning, katalyse en energieconversie / opslag”, geleid door Roberto Manuel Torresi.

‘We hebben een lipase gebruikt [CaLB] als het modelszym, geïmmobiliseerd op gouden nanodeeltjes met twee vormen – bollen en sterren, “vertelde Ribeiro de Barros.” De infraroodlaser versnelde de activiteit van het enzym niet-invasief door het te bestralen met extern licht. “

De studie toonde aan dat niet alleen de samenstelling van het materiaal, maar ook de geometrie het effect van de nanodeeltjes op het enzym beïnvloedde. “De enzymatische activiteit werd aanzienlijk versterkt wanneer de lipase werd geïmmobiliseerd op gouden nanostars, wat een toename tot 58% vertoonde”, zei Ribeiro de Barros. “Ter vergelijking: de gouden nanobolletjes bevorderden een veel kleinere toename van 13%. De grotere toename kwam overeen met het effect van resonantie tussen de oppervlakken van de nanostars en straling van de laser.”

De omvang die hier in aanmerking wordt genomen, is gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR). Terwijl de LSPR van de nanobolletjes absorbeert bij 525 nanometer, bereikt die van de nanostars 700 nm, veel dichter bij de infrarode lasergolflengte, die 808 nm is.

“Het invallende licht zet energiegestuurde processen in de gouden nanodeeltjes in gang, zoals een temperatuurstijging of elektronische effecten, en dit beïnvloedt de eigenschappen van de enzymen die op hun oppervlak worden geïmmobiliseerd”, zei Ribeiro de Barros. “Het was mogelijk om te concluderen dat gelokaliseerde fotothermische verwarming op de oppervlakken van de gouden nanostars, bevorderd door LSPR-excitatie, leidde tot verbeterde lipasebiokatalyse. Deze conclusie kan worden uitgebreid tot andere combinaties van enzymen en plasmonische nanodeeltjes.”

Het brede scala aan mogelijke toepassingen omvat biokatalyse om chemische reacties op industriële schaal te versnellen en in vivo controle van ziekteverwekkende enzymen. In de verre toekomst zou dit soort proces mogelijk kunnen worden gebruikt om ziekten zoals Parkinson en Alzheimer te behandelen. Er is natuurlijk meer onderzoek nodig voordat het een echt alternatief kan worden.

“ Vanuit medisch oogpunt was het belangrijkste doel van de studie om in de nabije toekomst oplossingen te vinden voor de behandeling van ziekten zonder de noodzaak van invasieve chirurgie en met een specifieke ruimtelijke en temporele benadering om de bijwerkingen van de huidige methoden te vermijden, ‘Zei Ribeiro de Barros.