L'esplorazione della tecnica mostra la promessa per i nuovi sistemi diagnostici medici, la consegna mirata a della droga

I sistemi viventi contano su una varietà dizzying di reazioni chimiche essenziali allo sviluppo ed alla sopravvivenza. La maggior parte di questi comprendono una classe specializzata di molecole di proteina--gli enzimi.

In un nuovo studio, Hao Yan, Direttore del centro per progettazione molecolare e Biomimetics all'istituto di Biodesign dell'Arizona State University presenta i mezzi abili di localizzazione e di confine gli enzimi e delle molecole che del substrato legano con, accelerando le reazioni essenziali per i processi vitali.

La ricerca, che compare nella questione attuale delle comunicazioni della natura del giornale, potrebbe avere applicazioni ampie nei campi che variano dal miglioramento dei risparmi di temi industriali ad aprire la strada la consegna mirata a alla nuova droga medica della guida, di sistemi diagnostici e produrre i materiali astuti. Il lavoro egualmente promette di fare il nuovo indicatore luminoso sui particolari dell'organizzazione e del metabolismo cellulari.

La tecnica comprende la progettazione dello specializzato di, gabbie del nanometro-disgaggio, che auto-montano dalle lunghezze di DNA. Le gabbie tengono l'enzima ed il substrato nella grande prossimità, accelerante considerevolmente la tariffa delle reazioni e proteggente li dalla degradazione.

“Stiamo progettando per molti anni i nanostructures programmabili del DNA con l'aumento di complessità ed ora è tempo di chiedere che cosa può noi fare con queste strutture,„ Yan dice. “C'è numeroso altre applicazioni da questa tecnologia di emergenza. Con il nostro sforzo di collaborazione interdisciplinare, qui descriviamo l'uso dei nanocages del DNA del progettista suddividere in compartimenti le reazioni enzimatiche in un ambiente limitato. Inspirazione della trafilatura dalla natura, abbiamo scoperto i beni interessanti, alcuni inattesi.„

Zhao Zhao, un ricercatore nel centro per progettazione molecolare e Biomimetics erano l'autore principale del documento, che co-è stato creato con i ricercatori da ASU come pure dal dipartimento di chimica, Rutgers ed il dipartimento di chimica, singolo gruppo dell'analisi della molecola, università del Michigan.

Mondo degli enzimi

Come attivatori chimici per virtualmente ogni reazione nell'organismo, gli enzimi sono partecipanti chiave all'attività normale delle celle, dei tessuti, dei liquidi e degli organi. Le centinaia di migliaia di enzimi metabolici sono presenti nel corpo umano, in questione nelle diverse attività compreso la copiatura del DNA e la riparazione e la trasformazione di glucosio in energia utilizzabile. Altrove, circa 22 enzimi digestivi ripartono i carboidrati (amilasi), i grassi (lipasi) e gli zuccheri (disaccaridi), mentre i cosiddetti enzimi della proteasi digeriscono le proteine.

Gli enzimi tendono ad essere altamente specifici, non solo nelle funzioni che utili eseguono, ma nei substrati precisi con cui funzioneranno. Molecole del substrato esattamente di giusta legatura di forma e di dimensione con i loro enzimi appropriati come le misure corrette di tasto nelle creste e nelle scanalature di un blocco.

I substrati chiudono sulle molecole degli enzimi ad una regione particolare conosciuta come il sito attivo. Una volta che l'enzima ed il substrato si sono combinati, un prodotto chimico è formato e poi è rilasciato, restituente l'enzima alla sua configurazione originale dove è pronto da gestire sopra una nuova molecola del substrato.

In modo che tali reazioni da avere luogo in un modo efficiente, la natura ha inventato i metodi di compartimentalizzazione, formanti i siti naturali del reattore in cui le reazioni di enzima-substrato spiegano. La cella stessa è un tal compartimento, come sono vari ad organelli diretti a membrana trovati in eucarioti, (celle che contengono un nucleo), compreso i mitocondri, i lisosomi e i peroxisomes.

La compartimentalizzazione dei reattivi contribuisce a sormontare varie sfide, introducenti i prodotti chimici obbligatori nella prossimità accogliente, isolante i complessi di enzima-substrato dai prodotti chimici in competizione della reazione, miglioranti il rendimento delle molecole del prodotto prodotte e diminuire i vari prodotti chimici intermedi della tossicità può a volte causare.

Per indurre o catalizzare le reazioni chimiche per vari scopi, i biologi sintetici hanno copiato una pagina dal libro della ricetta della natura, progettante i compartimenti artificiali da costruzione dalle proteine, i lipidi o gli acidi nucleici trovati in DNA, (come nello studio corrente).

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Yan ed i suoi colleghi hanno progettato i loro reattori sintetici per alloggiare gli enzimi ed i loro substrati, consentire le conversioni chimiche avere luogo in un ambiente controllato. Ogni struttura minuscola, misurante appena 54 nanometri attraverso, è qualcosa come un uovo di Faberge di cui le metà separate misura insieme per incapsulare il loro prodotto chimico soddisfa. (Il nanometro di A è un bilionesimo un metro o approssimativamente 80.000 volte di più piccole della larghezza dei capelli umani.)

Facendo uso della base accoppiare i beni dei nucleotidi del DNA quattro, contrassegnati A, T, C e G permette che gli architetti del nanoscale come Yan costruiscano i moduli innumerevoli in due e le tre-dimensioni. Nel nuovo studio, i nanocages del DNA sono stati usati per incapsulare gli enzimi metabolici con l'alto rendimento dell'installazione ed hanno regolato il controllo sopra i reattivi ed i prodotti.

La costruzione dei nanocages ha luogo a due punti. In primo luogo, i diversi enzimi sono fissati nelle strutture aperte della mezzo gabbia. Poi, le mezzo gabbie sono inserite insieme in un nanocage pieno e chiuso. Per creare le mezzo gabbie, una tecnica conosciuta come gli origami del DNA è usata. Le lunghezze di DNA virale sono preparate auto-per montare in una grata del favo, con i nucleotidi di A che accoppiano con la C e T con il G.

Le mezze gabbie aperte da un lato dei nanocages del DNA permettono l'accesso di grandi molecole di proteina nell'intercapedine interna dei nanocage. Le due mezzo gabbie misura insieme all'aiuto di brevi fili del DNA del ponte che legano con le sequenze complementari del DNA che si estendono dalle barriere di qualsiasi mezzo gabbia, (vedono l'accompagnamento dell'animazione). Le piccole lacune su ciascuna delle facce inferiori superiori e del nanocage del DNA permettono la diffusione di piccole molecole attraverso le pareti del DNA.

Sondaggio del nanoscale

Per esaminare le strutture risultanti, la microscopia elettronica di trasmissione è stata usata, con l'elettroforesi del gel ed i singoli esperimenti della fluorescenza della molecola che hanno dimostrato che vicino a 100 per cento del DNA segmenta le strutture correttamente formate della mezzo gabbia e più di 90 per cento hanno formato le gabbie piene.

Lo studio ha esaminato sei enzimi differenti, varianti nella dimensione dal più piccolo, che misurasse ~44kD (kilodaltons) al più grande, kD del ~ 450. Tutti e sei gli enzimi sono stati incapsulati con successo in nanocages, comunque i rendimenti diversi secondo la dimensione degli enzimi. Il più grande enzima esaminato, conosciuto come β-galattosidasi, ha mostrato il rendimento più basso di 64 per cento.

Dopo, l'attività delle paia di enzima-substrato è stata valutata. Oltre ad introdurre le paia di enzima-substrato nella prossimità obbligatoria più vicina, l'incapsulamento nel nanocage egualmente è creduto per facilitare l'attività con i termini elettrici unici di densità di carica all'interno del nanocage.

Gli esperimenti successivi hanno dimostrato che la maggior parte dell'effetto su attività di enzima-substrato in nanocages è dovuto l'ambiente unico della tassa all'interno dei nanocages, piuttosto che la prossimità di enzima-substrato. Gli autori suggeriscono che attività incapsulata della mostra degli enzimi più alta all'interno delle gabbie densamente imballate del DNA come conseguenza dell'ambiente altamente ordinato e idrogeno-tenuto da adesivo dell'acqua che le circonda.

Una valutazione di attività dell'enzima ha mostrato i 4 - ad aumento di 10 volte per gli enzimi incapsulato in nanocages, rispetto all'attività degli enzimi liberi. Tempo di rotazione degli enzimi--definito come il numero massimo delle conversioni chimiche delle molecole del substrato al secondo--è stato correlato inversamente con la dimensione degli enzimi incapsulati, con il più piccolo enzima che rende il più alto volume d'affari.

Gabbie future

Le gabbie del DNA hanno dimostrato la loro resilienza durante gli esperimenti, conservanti il loro modulo strutturale in tutto le reazioni enzimatiche. Essi anche enzimi incapsulati protetti da disattivazione dovuto i prodotti chimici digestivi, mentre permettendo la diffusione ininterrotta dei substrati della piccolo-molecola e dei prodotti di reazione attraverso i nanopores della gabbia del DNA.

L'incapsulamento in nanocages è stato indicato per aumentare la frazione delle molecole attive degli enzimi e dei loro numeri di volume d'affari della persona. Il metodo fornisce così un nuovo strumento molecolare per modificare gli enzimi circostanti dell'ambiente locale ed i loro substrati, aprenti la porta alle nuove applicazioni nei materiali astuti e nelle applicazioni biomediche. Fra gli ultimi sono le gabbie futuristiche e programmabili che potrebbero essere usate come procedure di pubblicazione del nanoscale per una vasta gamma di agenti terapeutici.

Source:

Arizona State University