Wissenschaftler entwickeln 3-D künstliches Enzymschubumkehrgitter, das biochemische Bahn unter Verwendung DNS-Moleküle nachahmt

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

Unter Verwendung der Moleküle von DNS mögen Sie ein Architekturgestell, Staat Arizona-Hochschulwissenschaftler, gemeinsam mit Kollegen an University of Michigan, haben entwickelt ein 3-D künstliches Enzymschubumkehrgitter, das eine wichtige biochemische Bahn nachahmt, die wichtiges für zukünftige Biomedical- und Energieanwendungen prüfen könnte.

Die Ergebnisse wurden in der Zapfen Natur-Nanotechnologie veröffentlicht. Geführt durch ASU Professor Hao Yan, enthielt das Forschungsteam Institutforscher ASU Biodesign Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, Professor Yan Liu und Professor Neal Woodbury zusammen mit Kollegen Professor Nils Walter und Alexander-Johnson-Dollar des promovierten wissenschaftlichen Mitarbeiters an University of Michigan.

Forscher auf dem Gebiet von DNS-Nanotechnologie, die Bindefähigkeiten der chemischen Bausteine von DNS nutzend, verdrehen und selbst-bauen DNS in immer mehr fantasiereiches 2 - und 3 Maßzellen für die medizinische, elektronische und Energieanwendungen zusammen.

Im spätesten Durchbruch nahm das Forschungsteam die Herausforderung der Nachahmung von Enzymen außerhalb der freundlichen Grenze der Zelle auf. Diese Enzyme beschleunigen die chemischen Reaktionen, verwendet in unseren Gehäusen für die Verdauung der Nahrung in Zucker und der Energie während des menschlichen Metabolismus, zum Beispiel.

„Wir suchen zur Natur nach Inspiration, um künstliche molekulare Anlagen aufzubauen, die die hoch entwickelten nanoscale machineries nachahmen, die in lebenden biologischen Anlagen entwickelt werden, und wir konstruieren rational molekulare nanoscaffolds, um biomimicry auf dem molekularen Niveau zu erzielen,“ sagte Yan, der den Stuhl Miltons Glick in der ASU-Abteilung von Chemie und von Biochemie anhält und die Mitte für Molekulare Auslegung und Biomimicry am Biodesign-Institut verweist.

Mit Enzymen müssen alle beweglichen Teile hochstrukturiert und koordiniert sein, andernfalls arbeitet die Reaktion nicht. Die beweglichen Teile, die Moleküle wie Substratflächen und Nebenfaktore umfassen, passten ganz in eine komplexe Enzymtasche gerade wie einen Baseball in einen Handschuh. Sobald alle chemischen Teile ihren Platz in der Tasche gefunden haben, werden die Energetik, die die Reaktion steuern vorteilhaft und lassen schnell Chemie geschehen. Jedes Enzymfreisetzung sein Produkt, wie ein Taktstock übergeben weg in einem Staffellauf, zu einem anderen Enzym, um den nächsten Schritt in einer biochemischen Bahn im menschlichen Körper durchzuführen.

Für die neue Studie wählten die Forscher ein Paar Universalenzyme, Dehydrogenase des Phosphat glucose-6 (G6pDH) und Dehydrogenase des apfelsauren Salzes (MDH), die für die Biosynthese-Herstellung der Aminosäuren wichtig sind, der Fette und der Nukleinsäuren wesentlich für alle Lebensdauer. Zum Beispiel verursachen die Defekte, die in der Bahn gefunden werden, Anämie in den Menschen. „Dehydrogenaseenzyme sind, da sie die meisten der Energie einer Zelle“ liefern, sagten Walter besonders wichtig. „Arbeit mit diesen Enzymen konnte zu zukünftige Anwendungen in der grünen Energieerzeugung wie Brennstoffzellen unter Verwendung der Biosubstanzen für Kraftstoff führen.“

In der Bahn verwendet G6pDH die Glukosezuckersubstratfläche und einen Nebenfaktor, die NAD, um Wasserstoffatome von der Glukose und von der Übertragung auf das folgende Enzym, MDH zu entfernen, weiterzugehen und Apfelsäure zu machen und NADH im Prozess zu erzeugen genannt werden, der für als Schlüsselnebenfaktor für Biosynthese verwendet wird.

Dieses Enzympaar im Reagenzglas Neu Zu Machen und Lassen es außerhalb der Zelle arbeiten ist eine große Herausforderung für DNS-Nanotechnologie.

Zu die Herausforderung annehmen, ließen es zuerst ein DNS-Gestell, das Aussehung wie einige Papierhandtuchrollen zusammen klebten. Unter Verwendung eines Computerprogramms waren es in der Lage, die chemischen Bausteine der DNA-Sequenz anzupassen, damit das Gestell selbst-zusammenbauen würde. Als Nächstes wurden die zwei Enzyme zu den Enden der DNS-Gefäße befestigt.

Mitten in dem DNS-Gestell fügten sie einen einzelnen Strang von DNS hinzu, mit dem NAD+ begrenzt zum Ende wie einer Kugel und einer Zeichenkette. Yan spricht dieses als Einarmschwinge an, die lang geschickt ist, flexibel und genug, zwischen die Enzyme hin und her zu schaukeln.

Sobald die Anlage in einem Reagenzglas gemacht wurde, indem man oben heizte und die DNS abkühlend, die zu Selbstbau führt, wurden die Enzymteile herein hinzugefügt. Sie bestätigten die Zelle unter Verwendung eines hochkarätigen Mikroskops, genannt ein FLUGHANDBUCH, das zum nanoscale unten sehen kann, 1.000mal kleiner als die Breite eines Menschenhaars.

Wie Architekten bauten die Wissenschaftler zuerst ein Modell im Massstab 1 auf, also konnten sie die räumliche Geometrie und die Zellen prüfen und messen und in ihrer Installation eine kleine Leuchtstofffarbe umfassen, die zur Einarmschwinge befestigt wurde. Wenn die Reaktion stattfindet, können sie ein rotes Leuchtfeuersignal messen, das die Farbe abgibt---aber in diesem Fall, anders als ein Verkehrszeichen, bedeutet eine rote Leuchte die Reaktionsarbeiten.

Als Nächstes versuchten sie die Enzymanlage und fanden, dass es gerade die selben wie ein zelluläres Enzymschubumkehrgitter funktionierte. Sie maßen auch den Effekt, als, den Abstand zwischen die Einarmschwinge und die Enzyme unterscheiden. Sie fanden, dass es eine süße Stelle, an 7nm gab, in dem der Waffenwinkel zu den Enzympaaren parallel war.

Mit einer einzelnen Einarmschwinge in der Reagenzglasanlage, die gerade wie die zellulären Enzyme arbeitet, entschieden sich sie, die Waffen hinzuzufügen und prüften die Grenzen auf die Anlage mit bis 4 hinzugefügten Waffen. Sie waren in der Lage, das zu zeigen, da jede Waffe hinzugefügt wurde, das G6pDH konnten aufrechterhalten, um sogar noch mehr Produkt zu machen, während das MDH heraus nach nur zwei Einarmschwingen maxed. „Futterenzyme oben entlang einem konstruierten Fließband wie Henry Ford taten für Autoteile ist besonders befriedigend für jemand, das nahe der Bewegungsstadt Detroit lebt,“ sagte Walter.

Die Arbeit öffnet auch eine viel versprechende Zukunft, in der biochemische Bahnen außerhalb der Zelle wiederholt werden können, um biomedizinische Anwendungen wie Nachweismethoden für Diagnoseplattformen zu entwickeln.

„Ist ein sogar hoch und wertvolleres Ziel, in hohem Grade programmierte Kaskadenenzymbahnen auf DNS-nanostructure Plattformen mit Regelung von Input- und Ausgabereihenfolgen auszuführen. Das Erzielen dieses Ziels würde nicht nur Forschern, die eleganten Enzymschubumkehrgitter nachzuahmen, die in der Natur und zu versuchen, ihre zugrunde liegenden Vorrichtungen des Vorgangs zu verstehen erlauben gefunden wurden, aber würde den Bau von künstlichen Schubumkehrgittern, die nicht in der Natur ermöglichen existieren,“ sagte Yan.

Quelle: Staat Arizona Universität

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