Le Lancement de la technique se montre pour des diagnostics médicaux neufs prometteur, accouchement visé de médicament

Les systèmes Vivants se fondent sur une variété vertigineuse de réactions chimiques essentielles au développement et à la survie. Les La Plupart de ces derniers concernent une classe spécialisée des molécules de protéine--les enzymes.

Dans une étude neuve, Hao Yan, directeur du Centre pour le Design Moléculaire et Biomimetics à l'Institut de Biodesign de l'Université De L'Etat D'Arizona présente des moyens intelligents de localiser et de loger des enzymes et les molécules de substrat qu'ils grippent avec, accélérant des réactions essentielles pour des procédés de durée de vie.

La recherche, qui apparaît dans la question actuelle des Transmissions de Nature de tourillon, pourrait avoir des applications d'une grande portée dans les domaines s'échelonnant d'améliorer des rendements industriels accouchement visé à frayer un chemin médicament médical neuf de diagnostics, de guidage et production des matériaux intelligents. Le travail promet également de jeter la lumière neuve sur des conditions particulières de l'organisme cellulaire et du métabolisme.

La technique concerne le design de spécialisé, les cages de nanomètre-échelle, qui auto-assemblent à partir des longueurs d'ADN. Les cages retiennent l'enzyme et le substrat dans la grande proximité, accélérant considérablement les tarifs des réactions et les protégeant de la dégradation.

« Nous avions conçu des nanostructures programmables d'ADN avec l'augmentation de la complexité depuis de nombreuses années, et il est maintenant temps de demander ce qui peut nous faire avec ces structures, » Yan dit. « Il y a nombreux d'autres applications de cette technologie émergente. Par notre effort de collaboration interdisciplinaire, nous décrivons ici l'utilisation des nanocages du créateur ADN de compartimenter des réactions enzymatiques dans un environnement logé. Inspiration de Retrait de Nature, nous avons découvert les propriétés intéressantes, certaines inattendues. »

Zhao Zhao, un chercheur au Centre pour le Design Moléculaire et Biomimetics étaient l'auteur important du papier, qui Co-a été écrit avec des chercheurs d'ASU ainsi que du Département de Chimie, Rutgers et le Département de Chimie, Seul Groupe d'Analyse de Molécule, Université du Michigan.

Monde d'Enzymes

En Tant Qu'activateurs chimiques pour pratiquement chaque réaction dans le fuselage, les enzymes sont les participants principaux à l'activité normale des cellules, des tissus, des liquide, et des organes. Les Centaines de milliers d'enzymes métaboliques sont présentes au corps humain, concerné dans de diverses activités comprenant la copie d'ADN et le réglage et la transformation du glucose dans l'énergie utilisable. Ailleurs, environ 22 enzymes digestives décomposent des hydrates de carbone (amylases), des graisses (lipases) et des sucres (disaccharides), alors que les soi-disant enzymes de protéase assimilent des protéines.

Les Enzymes tendent à être hautement particulières, non seulement dans les fonctionnements utiles qu'elles remplissent, mais les substrats précis avec lesquels elles fonctionneront. Molécules de Substrat exact du bon grippage de taille et de forme avec des leurs enzymes appropriées comme ajustements corrects de clé dans les arêtes et les incisions d'un verrou.

Les Substrats se verrouillent sur des molécules d'enzymes à une région particulière connue sous le nom de site actif. Une Fois Que l'enzyme et le substrat ont combiné, un produit chimique est formé et puis relâché, renvoyant l'enzyme à sa configuration initiale où il est prêt d'utiliser en circuit une molécule neuve de substrat.

Pour que de telles réactions aient lieu d'une façon efficace, la Nature a conçu des méthodes de compartimentage, formant les sites naturels de réacteur où les réactions d'enzyme/substrate dévoilent. La cellule elle-même est un tel compartiment, de même que les organelles liées par membrane variées trouvées dans les eucaryotes, (des cellules contenant un noyau), y compris des mitochondries, des lysosomes et des peroxisomes.

Le Compartimentage des réactifs aide à surmonter un grand choix de défis, introduisant les produits chimiques obligatoires dans la proximité confortable, isolant des composés d'enzyme/substrate des produits chimiques de concurrence de réaction, améliorant le rendement de molécules de produit produites et la réduction des produits chimiques intermédiaires variés de toxicité peut parfois entraîner.

Afin d'induire ou catalyser des réactions chimiques pour un grand choix de buts, les biologistes synthétiques ont copié une page du livre de la recette de la Nature, concevant les compartiments artificiels fabriqués des protéines, les lipides ou les acides nucléiques trouvés dans l'ADN, (comme dans l'étude actuelle).

Clôturez les rencontres

Yan et ses collègues ont conçu leurs réacteurs synthétiques pour renfermer des enzymes et leurs substrats, permettant à des conversions chimiques d'avoir lieu dans un environnement contrôlé. Chaque structure minutieuse, mesurant juste 54 nanomètres à travers, est quelque chose comme un oeuf de Faberge dont les moitiés indépendantes ajustées ensemble pour encapsuler leur produit chimique contente. (Le nanomètre d'A est un milliardième un compteur ou approximativement 80.000 fois plus petites que la largeur des cheveux.)

Utilisant la base l'appareillement des propriétés des nucléotides d'ADN quatre, étiquetées A, T, C et G permet à des architectes de nanoscale comme Yan de construire les formes innombrables dans deux et les trois-cotes. Dans l'étude neuve, des nanocages d'ADN ont été employés pour encapsuler les enzymes métaboliques avec le rendement élevé d'assemblage et ont réglé avec précision le contrôle des réactifs et des produits.

La construction des nanocages a lieu dans deux phases. D'abord, différentes enzymes sont fixées dans les structures ouvertes de moitié-cage. Puis, les moitié-cages sont insérées ensemble dans un plein, fermé nanocage. Pour produire les moitié-cages, une technique connue sous le nom d'origami d'ADN est employée. Des Longueurs de l'ADN viral sont préparées auto-pour assembler dans un réseau de nid d'abeilles, avec des nucléotides d'A appareillant avec C et T avec le G.

Les demi cages ouvertes d'un côté des nanocages d'ADN permettent l'accès de grandes molécules de protéine dans la cavité interne des nanocage. Les deux moitié-cages sont ajustées avec l'aide des Brins d'ADN courts de passerelle qui grippent avec des séquences d'ADN complémentaire s'étendant des arêtes de l'un ou l'autre de moitié-cage, (voient accompagner l'animation). Les petites lacunes sur chacune des surfaces de haut et bas du nanocage d'ADN permettent la diffusion des petites molécules en travers des parois d'ADN.

Sondage du nanoscale

Pour examiner les structures donnantes droit, la Microscopie Électronique de Boîte De Vitesses a été employée, avec l'électrophorèse en gel et les expériences uniques de fluorescence de molécule qui ont expliqué que de près de 100 pour cent des Segments d'ADN a correctement formé des structures de moitié-cage et plus de 90 pour cent ont formé de pleines cages.

L'étude a examiné six enzymes différentes, s'échelonnant dans la taille du plus petit, qui a mesuré ~44kD (kilodaltons) au plus grand, kD du ~ 450. Chacune Des six enzymes a été avec succès encapsulé dans les nanocages, cependant les rendements variés selon la taille d'enzymes. La plus grande enzyme examinée, connu comme β-galactosidase, a affiché le rendement le plus faible de 64 pour cent.

Ensuite, l'activité des paires d'enzyme/substrate a été évaluée. En plus d'introduire les paires d'enzyme/substrate dans une proximité obligatoire plus proche, l'encapsulation dans le nanocage est censée également pour faciliter l'activité par les seules conditions de densité de charge électrique dans le nanocage.

Les expériences Ultérieures ont expliqué que la majeure partie de l'effet sur l'activité d'enzyme/substrate dans les nanocages est due au seul environnement de charge dans des nanocages, plutôt que la proximité d'enzyme/substrate. Les auteurs proposent que document encapsulé d'enzymes plus de forte activité dans les cages en masse bourrées d'ADN en raison de l'environnement fortement commandé et hydrogène-métallisé de l'eau les entourant.

Un bilan d'activité enzymatique a affiché des 4 - à l'augmentation de 10 fois pour des enzymes encapsulée des nanocages, avec l'activité des enzymes libres. Taux de rotation d'Enzymes--défini comme nombre maximum de conversions chimiques des molécules de substrat par seconde--a été inversement marqué avec la taille des enzymes encapsulées, avec de la plus petite enzyme fournissant la rotation la plus élevée.

Futures cages

Les cages d'ADN ont expliqué leur élasticité pendant les expériences, maintenant leur forme structurelle dans toutes les réactions enzymatiques. Elles ont également protégé les enzymes encapsulées contre la mise hors fonction due aux produits chimiques digestifs, tout en permettant la diffusion ininterrompue des substrats et des produits de réaction de petite molécule par les nanopores de la cage d'ADN.

L'Encapsulation dans les nanocages a été affichée pour augmenter la fraction des molécules actives d'enzymes et de leurs numéros de rotation de personne. La méthode fournit ainsi un outil moléculaire neuf pour modifier les enzymes environnantes d'environnement local et leurs substrats, ouvrant la trappe aux applications neuves dans les matériaux intelligents et les applications biomédicales. Parmi ce dernier sont les cages futuristes et programmables qui pourraient être utilisées en tant que mécanismes de mise en oeuvre de nanoscale pour un large éventail d'agents thérapeutiques.

Source : Université De L'Etat d'Arizona