De Wetenschappers ontwikkelen 3-D kunstmatige enzymcascade die biochemische weg gebruikend de molecules van DNA nabootst

Published on May 26, 2014 at 3:51 AM · No Comments

Gebruikend molecules van DNA zoals een architecturale steiger, hebben de wetenschappers van de Universiteit van de Staat van Arizona, in samenwerking met collega's bij de Universiteit van Michigan, een 3-D kunstmatige enzymcascade ontwikkeld die een belangrijke biochemische weg nabootst die voor toekomstige biomedische en energietoepassingen belangrijk kon blijken.

De bevindingen werden gepubliceerd in de Nanotechnologie van de dagboekAard. Geleid door ASU omvatte Professor Hao Yan, het onderzoeksteam de onderzoekers van het Instituut ASU Biodesign Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, Professor Yan Liu en Professor Neal Woodbury samen met collega's Professor Nils Walter en post-doctorale medeAlexander Johnson-Buck bij de Universiteit van Michigan.

De Onderzoekers op het gebied van de nanotechnologie van DNA, die uit de bindende eigenschappen van de chemische bouwstenen van DNA voordeel haalt, verdraaien en zelf-assembleren steeds meer DNA in fantasierijk 2 - en 3 dimensionale structuren voor medische, elektronische en energietoepassingen.

In de recentste doorbraak, nam het onderzoekteam de uitdaging van het nabootsen enzymen buiten de vriendschappelijke grensgebieden van de cel op. Deze enzymen versnellen chemische reacties, die in onze organismen voor de spijsvertering van voedsel in suikers en energie tijdens menselijk metabolisme worden gebruikt, bijvoorbeeld.

„Wij kijken aan Aard voor inspiratie om kunstmatige moleculaire systemen op te bouwen die verfijnde nanoscalemachineries nabootsen die in het leven biologische systemen wordt ontwikkeld, en wij ontwerpen rationeel moleculaire nanoscaffolds om biomimicry op het moleculaire niveau te bereiken,“ bovengenoemde Yan, die de Stoel van Milton Glick in het Ministerie ASU van Chemie en Biochemie houdt en het Centrum voor Moleculair Ontwerp en Biomimicry bij het Instituut Biodesign leidt.

Met enzymen, moeten alle bewegende delen strak worden gecontroleerd en worden gecoördineerd, anders zal de reactie niet werken. De bewegende delen, die molecules zoals substraten en cofactoren, al pasvorm in een complexe enzymzak enkel zoals een honkbal in een handschoen omvatten. Zodra alle chemische delen hun plaats in de zak hebben gevonden, wordt de energetica die de reactie controleren gunstig, en maakt vlug chemie gebeuren. Elk enzym geeft zijn product, zoals een knuppel vrij die weg in een relaisras, aan een ander enzym wordt overhandigd de volgende stap in een biochemische weg in het menselijke lichaam uit te voeren.

Voor de nieuwe studie, kozen de onderzoekers een paar van universele enzymen, glucose-6 fosfaatdehydrogenase (G6pDH) en malaatdehydrogenase (MDH), die voor biosynthese-makende de aminozuren belangrijk zijn, vetten en nucleic zuren de essentieel voor al leven. Bijvoorbeeld, tekorten die in de bloedarmoede van de wegoorzaak in mensen worden gevonden. De „Dehydrogenase enzymen zijn bijzonder belangrijk aangezien zij het grootste deel van de energie van een cel“, bovengenoemde Walter leveren. Het „Werk met deze enzymen kon tot toekomstige toepassingen in groene energieproductie zoals brandstofcellen leiden gebruikend biologisch materialen voor brandstof.“

In de weg, gebruikt G6pDH het substraat van de glucosesuiker en een cofactor die NAD aan de atomen van de strookwaterstof van glucose en overdracht aan het volgende enzym wordt genoemd, MDH, om te gaan en appelzuur te maken en NADH in het proces te produceren, dat voor als zeer belangrijke cofactor voor biosynthese wordt gebruikt.

Vernieuwend dit enzympaar in de reageerbuis en hebbend werkt het buiten de cel is een grote uitdaging voor de nanotechnologie van DNA.

Om de uitdaging te ontmoeten, maakten zij eerst een steiger van DNA die als verscheidene samen gelijmde keukenrolbroodjes kijkt. Gebruikend een computerprogramma, konden zij de chemische bouwstenen van de opeenvolging van DNA aanpassen zodat de steiger zou zelf-assembleren. Daarna, werden de twee enzymen vastgemaakt aan de einden van de buizen van DNA.

In het midden van de steiger van DNA, hechtten zij één enkele bundel van DNA, met NAD+ gebonden aan het eind zoals een bal en een koord. Yan verwijst naar dit als een slingerend wapen, dat lang, flexibel en handig genoeg is om afwisselend tussen de enzymen te schommelen.

Zodra het systeem in een reageerbuis door werd gemaakt omhoog te verwarmen en koelend DNA, die tot zelf-assemblage leidt, werden de enzymdelen binnen toegevoegd. Zij bevestigden de structuur gebruikend een krachtige microscoop, genoemd een AFM, die neer aan nanoscale, 1.000 keer kan zien kleiner dan de breedte van een menselijk haar.

Als architecten, bouwden de wetenschappers eerst een volledig model zodat konden zij en de ruimtemeetkunde en structuren testen meten, die in hun opstelling de omvatten een uiterst kleine fluorescente kleurstof in bijlage aan het slingeren bewapent. Als de reactie plaatsvindt, kunnen zij een rood bakensignaal meten dat de kleurstof verspreidt-maar in dit geval, in tegenstelling tot een verkeerslicht, betekent een rood licht de reactiewerken.

Daarna, probeerden zij het enzymsysteem en vonden dat het enkel het zelfde als een cellulaire enzymcascade werkte. Zij maten ook het effect toen het variëren van de afstand tussen het slingerende wapen en de enzymen. Zij vonden er een zoete vlek, 7nm bedroeg, waar de wapenhoek met het enzympaar parallel was.

Met één enkel slingerend wapen in het reageerbuissysteem die enkel als de cellulaire enzymen werken, beslisten zij wapens toe te voegen, testend de grenzen van het systeem met maximaal 4 toegevoegde wapens. Zij konden aantonen dat aangezien elk wapen werd toegevoegd, G6pDH kon omhoog houden om zelfs nog meer product te maken, terwijl MDH maxed uit na slechts twee slingerende wapens had. De „enzymen van de Voering omhoog over een ontworpen lopende band zoals Henry Ford deden want de autodelen voor iemand die dichtbij de motorstad Detroit leven,“ bovengenoemde Walter bijzonder tevredenstellend is.

Het werk opent ook een rooskleurige toekomst waar de biochemische wegen buiten de cel kunnen worden herhaald om biomedische toepassingen te ontwikkelen zoals opsporingsmethodes voor kenmerkende platforms.

Een „nog meer loftier en waardevoller doel is aan ingenieurs hoogst geprogrammeerd draperende enzymwegen op nanostructureplatforms van DNA met controle van input en outputopeenvolgingen. Het Bereiken van dit doel zou niet alleen onderzoekers toestaan om de elegante enzymcascades na te bootsen die in aard worden gevonden en te proberen om hun onderliggende mechanismen van actie te begrijpen, maar zou de bouw van kunstmatige cascades vergemakkelijken die niet in aard,“ bovengenoemde Yan bestaan.

Bron: De Universiteit van de Staat van Arizona

Read in | English | Español | Français | Deutsch | Português | Italiano | 日本語 | 한국어 | 简体中文 | 繁體中文 | Nederlands | Русский | Svenska | Polski