Les Scientifiques développent la cascade artificielle à trois dimensions d'enzymes qui imite la voie biochimique utilisant des Molécules d'ADN

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

Utilisant des molécules d'ADN aimez un échafaudage architectural, scientifiques d'Université De L'Etat D'Arizona, en collaboration avec des collègues à l'Université du Michigan, ont développé une cascade artificielle à trois dimensions d'enzymes qui imite une voie biochimique importante qui pourrait prouver important pour de futures applications biomédicales et d'énergétique.

Les découvertes ont été publiées en Nanotechnologie de Nature de tourillon. Abouti par Professeur Hao Yan d'ASU, l'équipe de recherche a inclus des chercheurs d'Institut d'ASU Biodesign Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, Professeur Yan Liu et Professeur Neal Woodbury avec Professeur Nils Walter de collègues et Johnson-Dollar d'Alexandre de boursier post-doctoral à l'Université du Michigan.

Les Chercheurs dans le domaine de la nanotechnologie d'ADN, tirant profit des propriétés de liage des synthons chimiques d'ADN, déforment et auto-assemblent l'ADN dans 2 ever more plus imaginatifs - et les structures à trois dimensions pour des applications médicales, électroniques et d'énergétique.

Dans la dernière découverte, l'équipe de recherche a relevé le défi d'imiter des enzymes en dehors des confins amicaux de la cellule. Ces enzymes accélèrent des réactions chimiques, utilisées dans nos fuselages pour la digestion de la nourriture dans des sucres et de l'énergie pendant le métabolisme humain, par exemple.

« Nous examinons à la Nature pour que l'inspiration établisse les systèmes moléculaires fabriqués par l'homme qui imitent les machineries sophistiqués de nanoscale développés dans des systèmes biologiques vivants, et nous concevons rationnellement les nanoscaffolds moléculaires pour réaliser biomimicry au niveau moléculaire, » Yan a indiqué, qui retient la Présidence de Milton Glick en Département de Chimie et Biochimies d'ASU et dirige le Centre pour le Design Moléculaire et Biomimicry à l'Institut de Biodesign.

Avec des enzymes, toutes les pièces mobiles doivent être bien controlées et coordonnées, autrement la réaction ne fonctionnera pas. Les pièces mobiles, qui comprennent des molécules telles que des substrats et des cofacteurs, se sont tout insérées dans une poche complexe d'enzymes juste comme un base-ball dans un gant. Une Fois Que toutes les pièces chimiques ont trouvé leur place dans la poche, l'énergétique qui contrôlent la réaction devient favorable, et effectue vite la chimie se produire. Chaque enzyme sort son produit, comme un bâton donné hors circuit une unité de feuillets magnétiques de relais, à une autre enzyme pour effectuer la prochaine phase dans une voie biochimique au corps humain.

Pour l'étude neuve, les chercheurs ont choisi une paire d'enzymes universelles, le phosphate-déshydrogénase glucose-6 (G6pDH) et la déshydrogénase de malate (MDH), qui sont importante pour biosynthèse-effectuer les acides aminés, les graisses et les acides nucléiques essentiels pendant toute la durée de vie. Par exemple, les défauts trouvés dans la voie entraînent l'anémie chez l'homme. Les « enzymes de Déshydrogénase sont particulièrement importantes puisqu'elles acceptent la majeure partie de l'énergie d'une cellule », ont dit Walter. Le « Travail avec des ces enzymes a pu mener à de futures applications dans la production d'énergie verte telle que des cellules à combustible utilisant des biomatériaux pour l'essence. »

Dans la voie, G6pDH emploie le substrat et un cofacteur NAD appelé de sucre de glucose pour éliminer des atomes d'hydrogène du glucose et du transfert à la prochaine enzyme, MDH, pour continuer et pour préparer l'acide malique et pour produire du NADH dans le procédé, qui est utilisé pour comme un cofacteur principal pour la biosynthèse.

Le Recommencement de cette paire d'enzymes dans l'éprouvette et la faire fonctionner en dehors de la cellule est un défi important pour la nanotechnologie d'ADN.

Pour relever le défi, il a effectué la première fois un échafaudage d'ADN que les ressembler à plusieurs rouleaux d'essuie-main de papier ont collé ensemble. Utilisant un programme informatique, il pouvait personnaliser les synthons chimiques de la Séquence d'ADN de sorte que l'échafaudage auto-assemble. Ensuite, les deux enzymes ont été fixées aux extrémités des tubes d'ADN.

Au milieu de l'échafaudage d'ADN, ils ont apposé une monocaténaire d'ADN, avec le NAD+ attachée à l'extrémité comme une bille et une chaîne de caractères. Yan se rapporte à ceci comme bras d'oscillation, qui est long, flexible et assez adroit pour osciller dans les deux sens entre les enzymes.

Une Fois Que le système était effectué dans une éprouvette en réchauffant et refroidissant l'ADN, qui mène à en kit, les pièces d'enzymes ont été ajoutées dedans. Elles ont confirmé la structure utilisant un microscope à puissance élevée, appelé un AFM, qui peut voir vers le bas au nanoscale, 1.000 fois plus petite que la largeur des cheveux.

Comme des architectes, les scientifiques ont établi la première fois un modèle complet ainsi ils pourraient tester et mesurer la géométrie et les structures spatiales, incluant dans leur installation une teinture fluorescente minuscule fixée au bras d'oscillation. Si la réaction a lieu, ils peuvent mesurer un signe rouge de radiophare que la teinture dégage---mais dans ce cas, à la différence des feux de signalisation, un feu rouge signifie les travaux de réaction.

Ensuite, ils ont essayé le système d'enzymes et ont constaté que cela a fonctionné juste les mêmes qu'une cascade cellulaire d'enzymes. Ils ont également mesuré l'effet en variant la distance entre le bras d'oscillation et les enzymes. Ils ont trouvé qu'il y avait un endroit doux, à 7nm, où la cornière de bras était parallèle aux paires d'enzymes.

Avec un bras d'oscillation unique dans le système d'éprouvette fonctionnant juste comme les enzymes cellulaires, ils ont décidé d'ajouter des bras, testant les limites du système avec jusqu'à 4 bras ajoutés. Ils pouvaient afficher cela car chaque bras a été ajouté, le G6pDH pourraient continuer pour effectuer bien plus de produit, alors que le MDH maxed à l'extérieur après seulement deux bras d'oscillation. Les « enzymes de Garniture le long d'une chaîne de montage conçue comme Henry Ford ont fait pour des pièces d'auto est particulièrement satisfying pour quelqu'un vivant près de la ville Detroit de moteur, » a dit Walter.

Le travail ouvre également un contrat à terme lumineux où des voies biochimiques peuvent être reproduites en dehors de la cellule pour développer des applications biomédicales telles que des méthodes de dépistage pour les plates-formes diagnostiques.

« Encore un objectif plus élevé et plus précieux est de concevoir des voies montantes en cascade fortement programmées d'enzymes sur des plates-formes de nanostructure d'ADN avec le contrôle des séquences d'entrée et sortie. Atteindre cet objectif permettrait non seulement à des chercheurs d'imiter les cascades élégantes d'enzymes trouvées en nature et d'essayer de comprendre leurs mécanismes fondamentaux d'action, mais faciliterait la construction des cascades artificielles qui n'existent pas en nature, » a dit Yan.

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