La Promoción de técnica muestra la promesa para los nuevos diagnósticos médicos, salida apuntada de la droga

Los sistemas Vivos confían en una variedad dizzying de reacciones químicas esenciales para el revelado y la supervivencia. La mayor parte de éstos implican una clase especializada de las moléculas de proteína--las enzimas.

En un nuevo estudio, Hao Yan, el director del Centro para el Diseño Molecular y Biomimetics en el Instituto de Biodesign de la Universidad de Estado de Arizona presenta medios listos de localizar y de lindar las enzimas y las moléculas del substrato que atan con, acelerando las reacciones esenciales para los procesos de la vida.

La investigación, que aparece en la aplicación actual las Comunicaciones de la Naturaleza del gorrón, podría tener aplicaciones de gran envergadura en los campos que colocaban de mejorar eficiencias industriales a promover salida apuntada de la nueva droga médica de los diagnósticos, el conducir y producir los materiales elegantes. El trabajo también promete verter la nueva luz en detalles de la organización y del metabolismo celulares.

La técnica implica el diseño de especializado, las jaulas de la nanómetro-escala, que uno mismo-ensamblan de longitudes de la DNA. Las jaulas sujetan la enzima y el substrato en la gran proximidad, acelerando considerablemente el índice de reacciones y protegiéndolas de la degradación.

“Hemos estado diseñando nanostructures programables de la DNA con el aumento de complejidad durante muchos años, y ahora es la hora de pedir qué puede nosotros hacer con estas estructuras,” Yan dice. “Hay numeroso otras aplicaciones de esta tecnología emergente. Con nuestro esfuerzo colaborativo interdisciplinario, aquí describimos el uso de los nanocages de la DNA del proyectista de dividir en compartimientos reacciones enzimáticas en un ambiente lindado. Inspiración del Gráfico de la Naturaleza, hemos destapado las propiedades interesantes, algunas inesperadas.”

Zhao Zhao, investigador en el centro para el Diseño Molecular y Biomimetics eran el autor importante del papel, que co-fue sido autor con los investigadores de ASU así como del Departamento de la Química, Rutgers y el Departamento de la Química, Único Grupo del Análisis de la Molécula, Universidad de Michigan.

Mundo de la Enzima

Como activadores químicos para virtualmente cada reacción en el cuerpo, las enzimas son participantes dominantes en la actividad normal de células, de tejidos, de líquidos, y de órganos. Cientos de miles de enzimas metabólicas están presentes en el cuerpo humano, implicado en actividades diversas incluyendo el copiado de la DNA y la reparación y la transformación de la glucosa en energía usable. A Otra Parte, unas 22 enzimas digestivas analizan los hidratos de carbono (amilasas), las grasas (lipasas) y los azúcares (disacáridos), mientras que las supuestas enzimas de la proteasa digieren las proteínas.

Las Enzimas tienden a ser altamente específicas, no sólo en las funciones útiles que se realizan, solamente los substratos exactos con los cuales trabajarán. Moléculas del Substrato exactamente del lazo correcto de la talla y de la dimensión de una variable con sus enzimas apropiadas como los ajustes correctos del clave en las cumbreras y las ranuras de un bloqueo.

Los Substratos cierran sobre las moléculas de la enzima en una región determinada conocida como el sitio activo. Una Vez Que la enzima y el substrato han combinado, un producto químico se forma y después release/versión, volviendo la enzima a su configuración original donde está listo para operatorio conectado una nueva molécula del substrato.

Para que tales reacciones ocurran de una manera eficiente, la Naturaleza ha ideado los métodos de compartimentación, formando los sitios naturales del reactor en donde las reacciones del sustrato enzimático revelan. La célula sí mismo es tal compartimiento, al igual que los diversos organelos del membrana-salto encontrados en eucariotas, (las células que contienen un núcleo), incluyendo las mitocondrias, los lisosomas y los peroxisomes.

La Compartimentación de reactivo ayuda a vencer una variedad de retos, trayendo las substancias químicas obligatorias en la proximidad acogedora, aislando complejos del sustrato enzimático de las substancias químicas competentes de la reacción, mejorando el rendimiento de moléculas del producto producidas y reducir las diversas substancias químicas intermediarias de la toxicidad puede causar a veces.

Para inducir o catalizar las reacciones químicas para una variedad de propósitos, los biólogos sintetizados han copiado una paginación del libro de la receta de la Naturaleza, diseñando los compartimientos artificiales fabricados de las proteínas, los lípidos o los ácidos nucléicos encontrados en la DNA, (como en el estudio actual).

Cierre los encuentros

Yan y sus colegas diseñaron sus reactores sintetizados para contener las enzimas y sus substratos, permitiendo que las conversiones químicas ocurran en un ambiente controlado. Cada estructura minuciosa, midiendo apenas 54 nanómetros a través, es algo como un huevo de Faberge cuyas mitades separadas ajustadas juntas para encapsular su substancia química contente. (El nanómetro de A es un milmillonésima un contador o áspero 80.000 veces de más pequeñas que el ancho de un cabello humano.)

Usando la base emparejar las propiedades de los nucleótidos de la DNA cuatro, etiqueta A, T, C y G permite que los arquitectos del nanoscale como Yan construyan formularios innumerables en dos y tres-dimensiones. En el nuevo estudio, los nanocages de la DNA fueron utilizados para encapsular las enzimas metabólicas con el alto rendimiento del ensamblaje y ajustaron mando sobre los reactivo y los productos.

La construcción de los nanocages ocurre en dos pasos de progresión. Primero, las enzimas individuales se asocian en las estructuras abiertas de la mitad-jaula. Entonces, las mitad-jaulas se ajustan juntas en un nanocage completo, cerrado. Para crear las mitad-jaulas, una técnica conocida como papiroflexia de la DNA se utiliza. Las Longitudes de la DNA viral se preparan uno mismo-para ensamblar en un cedazo del panal, con los nucleótidos de A emparejando con C y T con el G.

Las medias jaulas abiertas por un lado de los nanocages de la DNA permiten el acceso de las moléculas de proteína grandes en la cavidad interna de los nanocage. Las dos mitad-jaulas se ajustan así como el socorro de los hilos cortos de la DNA del puente que atan con las series complementarias de la DNA que extienden de los bordes de cualquier mitad-jaula, (véase acompañar la animación). Las pequeñas separaciones en cada uno de los fondos superiores y del nanocage de la DNA permiten la difusión de pequeñas moléculas a través de las paredes de la DNA.

Sondeo del nanoscale

Para examinar las estructuras resultantes, la Microscopia Electrónica De Transmisión fue utilizada, junto con electroforesis del gel y los únicos experimentos de la fluorescencia de la molécula que demostraron que cerca del 100 por ciento de la DNA divide las estructuras correctamente formadas de la mitad-jaula en segmentos y el más de 90 por ciento formó jaulas completas.

El estudio examinó seis diversas enzimas, colocando de tamaño del más pequeño, que midió ~44kD (kilodaltons) al más grande, kD del ~ 450. Las seis enzimas fueron encapsuladas con éxito en los nanocages, aunque los rendimientos variados según talla de la enzima. La enzima más grande examinada, conocido como β-galactosidasa, mostró el rendimiento más inferior del 64 por ciento.

Después, la actividad de los pares del sustrato enzimático fue evaluada. Además de traer los pares del sustrato enzimático en una proximidad obligatoria más cercana, la encapsulación en el nanocage también se cree para facilitar actividad con las condiciones únicas de la densidad de la carga eléctrica dentro del nanocage.

Los experimentos Subsiguientes demostraron que la mayor parte del efecto sobre actividad del sustrato enzimático en nanocages es debido al ambiente único de la carga dentro de nanocages, bastante que proximidad del sustrato enzimático. Los autores sugieren que actividad más alta encapsulada de la pieza de convicción de las enzimas dentro de jaulas denso pila de discos de la DNA como resultado del ambiente altamente pedido, hidrógeno-bajo fianza del agua que las rodea.

Una evaluación de la actividad enzimática mostró 4 - al aumento de diez veces para las enzimas encapsulado en los nanocages, comparados con la actividad de enzimas libres. Tipo de rotación de la Enzima--definido como el número máximo de conversiones químicas de las moléculas del substrato por segundo--fue correlacionado inverso con la talla de enzimas encapsuladas, con la enzima más pequeña rindiendo la rotación más alta.

Jaulas Futuras

Las jaulas de la DNA demostraron su elasticidad durante los experimentos, conservando su formulario estructural en las reacciones enzimáticas. También protegieron las enzimas encapsuladas contra la desactivación debido a las substancias químicas digestivas, mientras que permiso la difusión ininterrumpida de los substratos de la pequeño-molécula y de los productos de la reacción a través de los nanopores de la jaula de la DNA.

La Encapsulación en nanocages fue mostrada para aumentar la fracción de las moléculas activas de la enzima y de sus números de la rotación del individuo. El método proporciona así a una nueva herramienta molecular para modificar las enzimas circundantes del ambiente local y sus substratos, abriendo la puerta en las nuevas aplicaciones en materiales elegantes y aplicaciones biomédicas. Entre estes último son las jaulas futuristas, programables que se podrían utilizar como mecanismos de salida del nanoscale para una amplia gama de agentes terapéuticos.

Fuente: Universidad de Estado de Arizona

Source:

Arizona State University