Abrir Caminho a técnica mostra a promessa para diagnósticos médicos novos, entrega visada da droga

Os sistemas Vivos confiam em uma variedade dizzying de reacções químicas essenciais à revelação e à sobrevivência. A Maioria destes envolve uma classe especializada de moléculas de proteína--as enzimas.

Em um estudo novo, Hao Yan, o director do Centro para o Projecto Molecular e Biomimetics no Instituto do Biodesign da Universidade Estadual do Arizona apresentam meios inteligentes de localizar e de limitar enzimas e as moléculas que da carcaça liga com, acelerando as reacções essenciais para processos da vida.

A pesquisa, que aparece na introdução actual das Comunicações da Natureza do jornal, poderia ter aplicações de grande envergadura nos campos que variam de melhorar eficiências industriais a abrir caminho entrega visada da droga médica nova dos diagnósticos, do guiamento e produção de materiais espertos. O trabalho igualmente promete derramar a luz nova em detalhes da organização e do metabolismo celulares.

A técnica envolve o projecto do especializado, as gaiolas da nanômetro-escala, que auto-montam dos comprimentos do ADN. As gaiolas guardaram a enzima e a carcaça na grande proximidade, acelerando consideravelmente a taxa de reacções e protegendo as da degradação.

“Nós temos projectado nanostructures programáveis do ADN com complexidade crescente por muitos anos, e é agora a hora de pedir o que pode nós fazer com estas estruturas,” Yan diz. “Há numeroso outras aplicações desta tecnologia emergente. Com nosso esforço colaborador interdisciplinar, nós descrevemos aqui o uso de nanocages do ADN do desenhista dividir em compartimentos reacções enzimáticos em um ambiente limitado. Inspiração do Desenho da Natureza, nós descobrimos propriedades interessantes, algumas inesperadas.”

Zhao Zhao, um pesquisador no centro para o Projecto Molecular e Biomimetics eram o autor principal do papel, que co-foi sido o autor com os pesquisadores de ASU assim como do Departamento de Química, o Rutgers e o Departamento de Química, Único Grupo da Análise da Molécula, Universidade Do Michigan.

Mundo da Enzima

Como activadores químicos para virtualmente cada reacção no corpo, as enzimas são participantes chaves na actividade normal das pilhas, dos tecidos, dos líquidos, e dos órgãos. As Centenas de milhares de enzimas metabólicas estam presente no corpo humano, envolvido nas actividades diversas que incluem o copi do ADN e o reparo e a transformação da glicose na energia útil. Em Outra Parte, umas 22 enzimas digestivas dividem hidratos de carbono (amílases), gorduras (lipases) e açúcares (disaccharides), quando as enzimas assim chamadas do protease digerirem proteínas.

As Enzimas tendem a ser altamente específicas, não somente nas funções que úteis executam, mas nas carcaças precisas com que trabalharão. Moléculas da Carcaça exactamente do ligamento direito do tamanho e da forma com suas enzimas apropriadas como os ajustes correctos da chave nos cumes e nos sulcos de um fechamento.

As Carcaças travam em moléculas da enzima em uma região particular conhecida como o local activo. Uma Vez Que a enzima e a carcaça combinaram, um produto químico está formado e liberado então, retornando a enzima a sua configuração original onde está pronto para operar sobre uma molécula nova da carcaça.

Para que tais reacções ocorram em uma maneira eficiente, a Natureza planejou os métodos da divisão em compartimentos, formando os locais naturais do reactor onde as reacções da enzima-carcaça se desdobram. A pilha própria é tal compartimento, como são os vários organelles do membrana-limite encontrados nos eukaryotes, (as pilhas que contêm um núcleo), incluindo as mitocôndria, os lisosomas e os peroxisomes.

A Divisão Em Compartimentos dos reagentes ajuda a superar uma variedade de desafios, trazendo produtos químicos obrigatórios na proximidade acolhedor, isolando complexos da enzima-carcaça dos produtos químicos de competência da reacção, melhorando o rendimento das moléculas do produto produzidas e reduzir os vários produtos químicos intermediários da toxicidade pode às vezes causar.

A fim induzir ou catalisar reacções químicas para uma variedade de finalidades, os biólogos sintéticos copiaram uma página do livro da receita da Natureza, projetando os compartimentos artificiais fabricados das proteínas, os lipidos ou os ácidos nucleicos encontrados no ADN, (como no estudo actual).

Feche encontros

Yan e seus colegas projectaram seus reactores sintéticos abrigar enzimas e suas carcaças, permitindo que as conversões químicas ocorram em um ambiente controlado. Cada estrutura minúscula, medindo apenas 54 nanômetros transversalmente, é algo como um ovo de Faberge cujas as metades separadas cabidas junto para encapsular seu produto químico satisfaça. (O nanômetro de A é um bilionésimo um medidor ou aproximadamente 80.000 vezes de menor do que a largura de um cabelo humano.)

Usar a base que emparelha as propriedades dos nucleotides do ADN quatro, etiquetadas A, T, C e G permite que os arquitetos do nanoscale como Yan construam formulários inumeráveis em dois e três-dimensões. No estudo novo, os nanocages do ADN foram usados para encapsular enzimas metabólicas com rendimento alto do conjunto e ajustaram o controle sobre reagentes e produtos.

A construção dos nanocages ocorre em duas etapas. Primeiramente, as enzimas individuais são anexadas em estruturas abertas da metade-gaiola. Então, as metade-gaiolas são cabidas junto em um nanocage completo, fechado. Para criar as metade-gaiolas, uma técnica conhecida como o origâmi do ADN é usada. Os Comprimentos do ADN viral são preparados auto-para montar em uma estrutura do favo de mel, com os nucleotides de A que emparelham-se com o C e o T com G.

As meias gaiolas aberto-tomadas partido dos nanocages do ADN permitem o acesso de grandes moléculas de proteína na cavidade interna dos nanocage. As duas metade-gaiolas são cabidas junto com o auxílio das costas curtos do ADN da ponte que ligam com as seqüências complementares do ADN que estendem das bordas de uma ou outra metade-gaiola, (vêem o acompanhamento da animação). As diferenças pequenas em cada um das superfícies superiores e inferiores do nanocage do ADN permitem a difusão de moléculas pequenas através das paredes do ADN.

Sondando o nanoscale

Para examinar as estruturas resultantes, a Microscopia de Elétron de Transmissão foi usada, junto com a electroforese do gel e as únicas experiências da fluorescência da molécula que demonstraram que perto de 100 por cento do ADN segmenta estruturas correctamente formadas da metade-gaiola e mais de 90 por cento formaram gaiolas completas.

O estudo examinou seis enzimas diferentes, variando em tamanho do menor, que mediu ~44kD (kilodaltons) ao maior, kD do ~ 450. Todas As seis enzimas foram encapsuladas com sucesso nos nanocages, embora os rendimentos variados de acordo com o tamanho da enzima. A enzima a maior examinada, sabido como a β-galactosidase, mostrou o mais baixo rendimento de 64 por cento.

Em Seguida, a actividade de pares da enzima-carcaça foi avaliada. Além do que trazer os pares da enzima-carcaça em uma proximidade obrigatória mais próxima, a capsulagem no nanocage é acreditada igualmente para facilitar a actividade com as condições originais da densidade de carga elétrica dentro do nanocage.

As experiências Subseqüentes demonstraram que a maioria do efeito na actividade da enzima-carcaça nos nanocages é devido ao ambiente original da carga dentro dos nanocages, um pouco do que a proximidade da enzima-carcaça. Os autores sugerem que actividade mais alta encapsulada da exibição das enzimas dentro das gaiolas densa embaladas do ADN em conseqüência do ambiente altamente pedido, hidrogênio-ligado da água que cerca as.

Uma avaliação da actividade de enzima mostrou uns 4 - a 10 vezes aumente para as enzimas encapsuladas nos nanocages, comparados com a actividade de enzimas livres. Taxa de retorno da Enzima--definido como o número máximo de conversões químicas do por segundo das moléculas da carcaça--foi correlacionado inversa com o tamanho de enzimas encapsuladas, com a enzima a menor que rende o retorno o mais alto.

Gaiolas Futuras

As gaiolas do ADN demonstraram sua elasticidade durante as experiências, retendo seu formulário estrutural durante todo as reacções enzimáticos. Igualmente protegeram enzimas encapsuladas da desactivação devido aos produtos químicos digestivos, ao permitir a difusão ininterrupto de carcaças da pequeno-molécula e de produtos da reacção através dos nanopores da gaiola do ADN.

A Capsulagem nos nanocages foi mostrada para aumentar a fracção de moléculas activas da enzima e de seus números do retorno do indivíduo. O método fornece assim uma ferramenta molecular nova para alterar as enzimas circunvizinhas do ambiente local e suas carcaças, abrindo a porta às novas aplicações em materiais espertos e em aplicações biomedicáveis. Entre os últimos são as gaiolas futuristas, programáveis que poderiam ser usadas como mecanismos de entrega do nanoscale para uma vasta gama de agentes terapêuticos.

Source: Universidade Estadual do Arizona