Los Científicos desarrollan la cascada artificial tridimensional de la enzima que imita camino bioquímico usando las moléculas de la DNA

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

Usando las moléculas de la DNA tenga gusto de un andamio arquitectónico, científicos de la Universidad de Estado de Arizona, en colaboración con colegas en la Universidad de Michigan, han desarrollado una cascada artificial tridimensional de la enzima que imite un camino bioquímico importante que podría probar importante para las aplicaciones futuras del biomedical y de la energía.

Las conclusión fueron publicadas en la Nanotecnología de la Naturaleza del gorrón. Llevado por Profesor Hao Yan de ASU, el equipo de investigación incluyó a los investigadores Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, Profesor Yan Liu y Profesor Neal Woodbury del Instituto de ASU Biodesign junto con Profesor Nils Gualterio de los colegas y el Johnson-Dólar de Alexander del becario postdoctoral en la Universidad de Michigan.

Los Investigadores en el campo de la nanotecnología de la DNA, aprovechándose de las propiedades obligatorias de los bloques huecos químicos de la DNA, tuercen y uno mismo-ensamblan la DNA en 2 más imaginativos - y las estructuras de 3 dimensiones para las aplicaciones médicas, electrónicas y de la energía.

En el último descubrimiento, el equipo de investigación tomó el reto de imitar las enzimas fuera de los límites cómodos de la célula. Estas enzimas aceleran las reacciones químicas, usadas en nuestros cuerpos para la digestión de la comida en los azúcares y de la energía durante metabolismo humano, por ejemplo.

“Observamos a la Naturaleza para que la inspiración construya los sistemas moleculares artificiales que imitan los machineries sofisticados del nanoscale desarrollados en sistemas biológicos de vida, y diseñamos racional nanoscaffolds moleculares para lograr biomimicry en el nivel molecular,” Yan dijo, que sujeta la Silla de Milton Glick en el Departamento de ASU de la Química y de la Bioquímica y dirige el Centro para el Diseño Molecular y Biomimicry en el Instituto de Biodesign.

Con las enzimas, todas las piezas móviles deben ser rigurosamente controladas y coordinadas, si no la reacción no trabajará. Las piezas móviles, que incluyen las moléculas tales como substratos y cofactores, ajustaron todo en una cavidad compleja de la enzima apenas como un béisbol en un guante. Una Vez Que todas las piezas químicas han encontrado su lugar en la cavidad, la energética que controlan la reacción llega a ser favorable, y hace rápidamente que la química suceso. Cada enzima release/versión su producto, como un bastón de mando dado lejos en una carrera de relevo, a otra enzima para realizar el paso de progresión siguiente en un camino bioquímico en el cuerpo humano.

Para el nuevo estudio, los investigadores eligieron un par de enzimas universales, deshidrogenasa de fosfato glucose-6 (G6pDH) y deshidrogenasa del malato (MDH), que es importante para biosíntesis-hacer los aminoácidos, las grasas y los ácidos nucléicos esenciales para toda la vida. Por ejemplo, los defectos encontrados en el camino causan anemia en seres humanos. Las “enzimas de la Deshidrogenasa son determinado importantes puesto que suministran la mayor parte de la energía de una célula”, dijeron a Gualterio. El “Trabajo con estas enzimas podía llevar a las aplicaciones futuras en la producción energética verde tal como pilas de combustible usando los biomateriales para el combustible.”

En el camino, G6pDH utiliza el substrato del azúcar de la glucosa y un cofactor llamados NAD para eliminar los átomos de hidrógeno de la glucosa y de la transferencia a la enzima siguiente, MDH, para continuar y para hacer el ácido málico y para generar el NADH en el proceso, que se utiliza para como cofactor dominante para la biosíntesis.

La Renovación de este par de la enzima en el tubo de ensayo y hacer que trabaje fuera de la célula es un gran reto para la nanotecnología de la DNA.

Para hacer frente al reto, ella primero hizo un andamio de la DNA que los parecer varias listas de la toalla de papel pegaron juntos. Usando un programa de computadora, ella podía modificar los bloques para requisitos particulares huecos químicos de la serie de la DNA de modo que el andamio uno mismo-ensamblara. Después, las dos enzimas fueron asociadas a los extremos de los tubos de la DNA.

En el medio del andamio de la DNA, pusieron un único hilo de la DNA, con el NAD+ atado al extremo como una bola y una cadena. Yan refiere a esto como brazo oscilante, que es largo, flexible y bastante diestro oscilar hacia adelante y hacia atrás entre las enzimas.

Una Vez Que el sistema fue hecho en un tubo de ensayo calentando hacia arriba y enfriando la DNA, que lleva al uno mismo-ensamblaje, las piezas de la enzima fueron agregadas hacia adentro. Confirmaron la estructura usando un microscopio de alto poder, llamado un AFM, que puede ver hacia abajo al nanoscale, 1.000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

Como arquitectos, los científicos primero construyeron un modelo completo así que podrían probar y medir la geometría y las estructuras espaciales, incluyendo en su ajuste un tinte fluorescente minúsculo asociado al brazo oscilante. Si ocurre la reacción, pueden medir una señal roja de la baliza que el tinte emita---pero en este caso, a diferencia de una señal de tráfico, una luz roja significa los trabajos de la reacción.

Después, intentaron el sistema de la enzima y encontraron que trabajó apenas lo mismo que una cascada celular de la enzima. También midieron el efecto al variar la distancia entre el brazo oscilante y las enzimas. Encontraron que había un sweet spot, en 7nm, donde estaba paralelo el ángulo de la arma a los pares de la enzima.

Con un único brazo oscilante en el sistema del tubo de ensayo que trabajaba apenas como las enzimas celulares, decidían agregar las armas, probando los límites del sistema con hasta 4 armas adicionales. Podían mostrar eso como cada arma fue agregada, el G6pDH podrían continuar para hacer aún más producto, mientras que el MDH maxed fuera después de solamente dos brazos oscilante. Las “enzimas del Guarnición hacia arriba a lo largo de una planta de fabricación diseñada como Henry Ford hicieron para las piezas de automóvil son determinado satisfactorias para alguien que vivía cerca de la ciudad Detroit del motor,” dijo a Gualterio.

El trabajo también abre un futuro brillante donde los caminos bioquímicos se pueden replegar fuera de la célula para desarrollar aplicaciones biomédicas tales como métodos de detección para las plataformas diagnósticas.

“Una incluso meta más alta y más valiosa es dirigir caminos de conexión en cascada altamente programados de la enzima en las plataformas del nanostructure de la DNA con el mando de las series de entrada de información y del rendimiento. Lograr esta meta no sólo permitiría que los investigadores imitaran las cascadas elegantes de la enzima encontradas en naturaleza y que tentativa entender sus mecanismos subyacentes de la acción, pero facilitaría la construcción de las cascadas artificiales que no existen en naturaleza,” dijo Yan.

Fuente: Universidad de Estado de Arizona

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