科学者は DNA の分子を使用して生化学プロセスをまねる 3D 人工的な酵素のカスケードを開発します

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

DNA の分子を使用してミシガン州立大学で同僚と共同して建築足場、アリゾナ州立大学の科学者を、開発しました未来の biomedical およびエネルギーアプリケーションのための重要証明できる重要な生化学プロセスをまねる 3D 人工的な酵素のカスケードを好んで下さい。

調査結果はジャーナル性質のナノテクノロジーで出版されました。 ASU 教授によって Hao 沿導かれて、調査チームはミシガン州立大学に同僚教授および博士研究員のアレキサンダーのジョンソン木びき台と共に Nils ウォルター ASU Biodesign の協会の研究者 Jinglin Fu、 Yuhe ヤン、 Minghui 劉、教授および教授を含んでいました沿劉ニール Woodbury。

DNA の化学ブロックの結合特性を利用する DNA のナノテクノロジーのフィールドの研究者はより想像的な 2 に DNA を - そして医学の、電子そしてエネルギーアプリケーションのための 3D 構造ねじり、自己組み立て。

最新の進歩では、調査チームはセルの友好的な境界の外の酵素をまねることの挑戦に応じました。 これらの酵素は砂糖に食糧および人間の新陳代謝の間にエネルギーの消化力のために私達の体で使用される化学反応を例えば高速化します。

「私達は性質にインスピレーションが生存生物系で開発される洗練された nanoscale の machineries をまねる合理的に分子レベルで biomimicry 達成するように分子 nanoscaffolds を指示する」設計します人造の分子システムを構築することができるように見化学および生物化学の ASU 部のミルトン Glick の椅子を保持し、 Biodesign の協会で分子デザインのための中心および Biomimicry を沿は言いました。

酵素によって、すべての可動部分は堅く制御され、調整されなければなりません他では反作用は働きません。 基板および補足因子のような分子を含んでいる可動部分は手袋に野球のような複雑な酵素のポケットに完全にちょうど合いました。 反作用を制御するすべての化学部品がポケットの場所を見つけたら、エネルギー論は好ましくなり、素早く化学を起こらせます。 各酵素は人体の生化学プロセスの次のステップを遂行するために別の酵素にリレー競争で、渡されるバトンのような製品を、解放します。

新しい調査のために、研究者は生合成作りのために重要すべての生命の間必要なアミノ酸、脂肪および核酸である (MDH)ユニバーサル酵素、ブドウ糖6 の隣酸塩デヒドロゲナーゼ (G6pDH) およびりんご酸塩のデヒドロゲナーゼのペアを選択しました。 例えば、パスで見つけられる欠陥により人間で貧血症を引き起こします。 「セルのエネルギーのほとんどを」は供給するのでデヒドロゲナーゼ酵素特に重要、言いましたウォルターをです。 「これらの酵素を使用燃料のための生体材料を使用して燃料電池のような緑のエネルギー生産の未来のアプリケーションの原因となることができます」。は

パスでは、 G6pDH は NAD と呼出されるブドウ糖の砂糖の基板および水素原子をブドウ糖そして転送から次の酵素への、 MDH 除去し、続き、リンゴ酸を作り、生合成の主補足因子としてのために使用されるプロセスの NADH を生成するのに補足因子を使用します。

試験管のこの酵素のペアを作り直すことおよびセルの外で働いてもらうことは DNA のナノテクノロジーのための大きな挑戦です。

挑戦を受けるためには、それらは最初に複数のペーパータオルロールのように見えが一緒につけた DNA の足場を作りました。 計算機プログラムを使用して、それらは足場が自己組み立てるのは DNA シーケンスの化学ブロックをカスタマイズできたからです。 次に、 2 つの酵素は DNA の管の端に接続しました。

DNA の足場の真中で、彼らは球およびストリングのような端につなぎ留められた NAD+ の DNA の単一繊維を、添付しました。 沿は酵素の間で前後に揺れるには長く、適用範囲が広く十分に手際よい振動アームとしてこれを示します。

なされ、システムが試験管で熱することによって自己アセンブリの原因となる DNA を冷却します、酵素の部品は追加されました。 それらは nanoscale に見ることができる AFM と呼出された強力な顕微鏡を使用して構造を人間の毛髪の幅より小さい 1,000 倍確認しました。

建築家のように、科学者は最初にフル・スケールモデルを構築しました従って彼らのセットアップに振動アームに接続した小さい蛍光染料を含める空間的な幾何学および構造をテストし、測定できます。 反作用が起これば、彼らは染料が放つ赤い標識のシグナルを測定してもいいです---しかしこの場合、交通信号とは違って、赤灯は反作用作業を意味します。

次に、彼らは酵素システムを試み、細胞酵素のカスケードとちょうど同じを働かせたことが分りました。 彼らはまた間隔を振動アームと酵素の間で変えるとき効果を測定しました。 彼らは甘い点が、あったことを見つけました、アーム角度が酵素のペアに平行だった 7nm に。

細胞酵素のようにちょうど働く試験管システムの単一の振動アームによって彼らは 4 つまでの追加されたアームによってシステムの限界をテストするアームを追加することにしました。 彼らは MDH は 2 つの振動アームだけの後で限界に達したが各アームが追加されたのでそれを示せました、 G6pDH 維持できますさらに製品を作るために。 「ヘンリー・フォードのような設計されていた組立て流れ作業場に沿うライニング酵素自動車部品のためにですモーター都市デトロイトの近くに住んでいる誰かのために特に満足しました」はウォルターを言いました。

作業はまた診断プラットホームのための検出方法のような生物医学的なアプリケーションを開発するために生化学プロセスがセルの外で複製することができる明るい未来を開きます。

「より高く、より貴重な目的は入出力シーケンスの制御を用いる DNA の nanostructure のプラットホームの非常にプログラムされた滝のように落ちる酵素のパスを設計することです。 この目的を達成することは研究者が実際のところ見つけられた優雅な酵素のカスケードをまね、処置の根本的なメカニズムを理解するように試みることを可能にしましたが実際のところない人工的なカスケードの構築を」、言いました沿を促進します。

ソース: アリゾナ州立大学

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