Gli Scienziati sviluppano la cascata artificiale 3-D degli enzimi che imita la via biochimica facendo uso delle molecole del DNA

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

Facendo Uso delle molecole di DNA gradisca un'impalcatura architettonica, scienziati di Arizona State University, in collaborazione con i colleghi all'Università del Michigan, hanno sviluppato una cascata artificiale 3-D degli enzimi che imita una via biochimica importante che potrebbe provare importante per le applicazioni future di energia e del biomedical.

I risultati sono stati pubblicati in Nanotecnologia della Natura del giornale. Piombo dal Professor Hao Yan di ASU, il gruppo di ricerca ha incluso i ricercatori Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, il Professor Yan Liu ed il Professor Neal Woodbury dell'Istituto di ASU Biodesign con il Professor Nils Walter dei colleghi e il Johnson-Dollaro di Alexander del collega postdottorale all'Università del Michigan.

I Ricercatori nel campo di nanotecnologia del DNA, approfittante dei beni obbligatori delle particelle elementari chimiche di DNA, torcono e auto-montano il DNA in sempre più immaginativo 2 - e 3 strutture dimensionali per le applicazioni mediche, elettroniche e di energia.

Nell'ultima innovazione, il gruppo di ricerca ha raccolto la sfida di imitazione degli enzimi fuori dei confini amichevoli della cella. Questi enzimi accelerano le reazioni chimiche, utilizzate nei nostri organismi per la digestione di alimento negli zuccheri e di energia durante il metabolismo umano, per esempio.

“Guardiamo alla Natura affinchè l'inspirazione sviluppiamo i sistemi molecolari artificiali che imitano i machineries specializzati del nanoscale sviluppati nei sistemi biologici viventi e progettiamo razionale i nanoscaffolds molecolari per raggiungere biomimicry al livello molecolare,„ Yan ha detto, che tiene la Presidenza di Milton Glick nel Dipartimento di ASU di Chimica e della Biochimica e dirige il Centro per Progettazione Molecolare e Biomimicry all'Istituto di Biodesign.

Con gli enzimi, tutte le parti mobili devono essere ben controllate e coordinate, altrimenti la reazione non funzionerà. Le parti mobili, che includono le molecole quali i substrati ed i cofattori, interamente hanno inserito in una casella complessa degli enzimi appena come un baseball in un guanto. Una Volta Che tutte le parti chimiche hanno trovato il loro posto nella casella, l'energetica che controllano la reazione diventa favorevole e rapidamente fa la chimica accadere. Ogni enzima rilascia il suo prodotto, come un bastone passato fuori in una corsa di relè, ad un altro enzima per effettuare il punto seguente in una via biochimica nel corpo umano.

Per il nuovo studio, i ricercatori hanno scelto un paio degli enzimi universali, la deidrogenasi di fosfato glucose-6 (G6pDH) e deidrogenasi del malato (MDH), che è importante per la biosintesi-fabbricazione gli amminoacidi, i grassi e degli acidi nucleici essenziali per tutta la vita. Per esempio, i difetti trovati nella via causano l'anemia in esseri umani. “Gli enzimi della Deidrogenasi sono particolarmente importanti poiché assicurano la maggior parte dell'energia di una cella„, hanno detto Walter. “Il Lavoro con questi enzimi ha potuto piombo alle applicazioni future nella produzione di energia verde quali le pile a combustibile facendo uso dei biomateriali per combustibile.„

Nella via, G6pDH usa il substrato dello zucchero del glucosio e un cofattore chiamati NAD per spogliare gli atomi di idrogeno da glucosio e dal trasferimento nell'enzima seguente, MDH, per accendere e preparare l'acido malico e per generare il NADH nel trattamento, che è usato per come cofattore chiave per la biosintesi.

Il Rinnovamento del questo paio degli enzimi nella provetta e farlo lavorare fuori della cella sono una sfida importante per nanotecnologia del DNA.

Per incontrare la sfida, in primo luogo hanno fatto un'impalcatura del DNA che gli assomigliare a parecchi rotoli dell'asciugamano di carta hanno incollato insieme. Facendo Uso di un programma informatico, potevano personalizzare le particelle elementari chimiche della sequenza del DNA in modo che l'impalcatura auto-montasse. Dopo, i due enzimi sono stati fissati alle estremità dei tubi del DNA.

In mezzo all'impalcatura del DNA, hanno affigguto un singolo filo di DNA, con il NAD+ legato all'estremità come una palla e una stringa. Yan si riferisce a questo come braccio di oscillazione, che è lungo, flessibile ed abbastanza abile oscillare avanti e indietro fra gli enzimi.

Una Volta Che il sistema fosse fatto in una provetta riscaldando e raffreddando il DNA, che piombo ad auto-assembly, le parti degli enzimi si sono aggiunte dentro. Hanno confermato la struttura facendo uso di un microscopio ad alta potenza, chiamato un AFM, che può vedere giù al nanoscale, 1.000 volte più piccola della larghezza dei capelli umani.

Come gli architetti, gli scienziati in primo luogo hanno sviluppato un modello completo in modo da potrebbero verificare e misurare la geometria e le strutture spaziali, includenti nella loro impostazione una tintura fluorescente minuscola fissata al braccio di oscillazione. Se la reazione ha luogo, possono misurare un segnale rosso del gavitello che la tintura emana---ma in questo caso, a differenza di un segnale stradale, una luce rossa significa gli impianti della reazione.

Dopo, hanno provato il sistema degli enzimi ed hanno trovato che ha funzionato appena lo stessi come cascata cellulare degli enzimi. Egualmente hanno misurato l'effetto quando varia la distanza fra il braccio di oscillazione e gli enzimi. Hanno trovato che c'era un punto dolce, a 7nm, dove l'angolo del braccio era parallelo alle paia degli enzimi.

Con un singolo braccio di oscillazione nel sistema della provetta che funziona appena come gli enzimi cellulari, hanno deciso di aggiungere le armi, verificanti i limiti del sistema con fino a 4 armi aggiunte. Potevano mostrare quello poichè ogni braccio si è aggiunto, il G6pDH potrebbero continuare per fare ancor più prodotto, mentre il MDH maxed fuori dopo soltanto due armi di oscillazione. “Gli enzimi del Rivestimento su seguendo una catena di montaggio progettata come Henry Ford hanno fatto per i ricambi auto è particolarmente soddisfacenti per qualcuno che vive vicino alla città Detroit del motore,„ ha detto Walter.

Il lavoro egualmente apre un futuro luminoso dove le vie biochimiche possono essere ripiegate fuori della cella per sviluppare le applicazioni biomediche quali i metodi di rilevazione per le piattaforme diagnostiche.

“Un ancora scopo più alto e più apprezzato è di costruire le vie precipitanti a cascata altamente programmate degli enzimi sulle piattaforme di nanostructure del DNA con controllo delle sequenze dell'output e dell'input. Il Raggiungimento del questo scopo non solo permetterebbe che i ricercatori imitino le cascate eleganti degli enzimi trovate in natura e tentino di capire i loro meccanismi di fondo di atto, ma che faciliterebbe la costruzione delle cascate artificiali che non esistono in natura,„ ha detto Yan.

Sorgente: Arizona State University

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