Onderzoekers van de UAB hebben minimalistische biostructuren ontworpen die natuurlijke enzymen imiteren, in staat om twee gedifferentieerde en omkeerbaar gereguleerde activiteiten uit te voeren dankzij een unieke combinatie van structurele en functionele eigenschappen. De gebruikte strategie opent de deur naar het creëren van "intelligente" nanomaterialen met op maat gemaakte combinaties van katalytische functies.

Er is een toenemende belangstelling voor synthetische systemen die bio-geïnspireerde chemische reacties kunnen uitvoeren zonder de complexe structuren die enzymen in hun componenten kenmerken. Een van de meest onderzochte benaderingen is de zelfassemblage van peptiden - moleculen die kleiner zijn dan eiwitten - vanwege hun biocompatibiliteit en hoe hun structurele en functionele eigenschappen kunnen worden gecontroleerd.

Onderzoekers van het Instituut voor Biotechnologie en Biogeneeskunde van de Universitat Autònoma de Barcelona (IBB-UAB) hebben onlangs een van de kleinste mimetische enzymstructuren ooit ontworpen. Deze peptiden bestaan ​​uit zeven tot negen aminozuren die spontaan zelf-assembleren om stabiele amyloïde vezels en vaste hydrogels te vormen, onschadelijk voor cellen.

Peptiden worden gevormd met slechts twee soorten in water oplosbare aminozuren (tyrosine en histidine), een binaire code die alle informatie bevat die nodig is om nanostructuren te vormen. In aanvulling, ze zijn omkeerbaar en kunnen twee gedifferentieerde en niet-verwante katalytische activiteiten uitvoeren.

Onderzoekers zijn erin geslaagd een systeem te creëren dat eenvoudiger is en de enzymatische activiteit beter kan controleren, en voor de eerste keer een structuur waarin dezelfde aminozuren die katalytische activiteit leveren ook bijdragen aan het vormgeven van de macromoleculaire architectuur. In eerdere onderzoeken is deze capaciteiten waren gescheiden in verschillende regio's van het molecuul, wat resulteerde in langere peptiden en/of peptiden met een enkele functie.

"De vraag is dat de katalytische activiteit van vezels en hydrogels alleen kan worden bereikt als de peptiden zichzelf assembleren, " legt Salvador Ventura uit, coördinator van de studie. "De strategie die we gebruikten, legt de basis voor het creëren van "intelligente" nanostructurenmaterialen, met op maat gemaakte combinaties van katalytische functies voor een aantal praktische toepassingen."

Unieke eigenschappen

Tot nu, de meeste ontworpen minimalistische peptiden misten een van de belangrijkste capaciteiten van natuurlijke enzymen:het vermogen om hun activiteit omkeerbaar te reguleren. In dit onderzoek, onderzoekers slaagden erin de assemblagecapaciteit te beheersen, en dit maakt het mogelijk om actieve en inactieve vormen af ​​te wisselen met eenvoudige veranderingen in pH.

In aanvulling, de nieuwe peptiden hebben eigenschappen die natuurlijke enzymen niet hebben, aangezien deze alleen katalytische activiteiten uitvoeren. Nutsvoorzieningen, de peptiden omvatten twee verschillende soorten activiteiten (hydrolitisch en elektrokatalytisch) die gelijktijdig of afwisselend kunnen worden uitgevoerd. In elk ander geval, hiervoor zouden twee structureel verschillende kunstmatige enzymen nodig zijn, die honderden keren groter en duurder zouden zijn.

Een ander kenmerk van deze nieuwe kunstmatige enzymen waar onderzoekers op wijzen, is de spontaniteit van zelfassemblage, wat inhoudt dat er geen behoefte is aan extra chemische reagentia of de toepassing van warmte, die giftig kunnen blijken te zijn of drastische effecten kunnen hebben op de structuur.

Grotere efficiëntie en zuinigheid

Hydrogels en amyloïde-achtige vezels maken het mogelijk om solide en efficiëntere en economische microreactoren te genereren, waarin het eindproduct van de reactie gemakkelijk kan worden gescheiden van het kunstmatige enzym.

"De macromoleculaire structuren die we hebben weten te creëren, kunnen belangrijke toepassingen hebben in microfluïdica, en ook bij de levering van medicijnen, omdat ze het medicijn in zijn geassembleerde staat kunnen inkapselen en het op een specifieke manier kunnen bevrijden, zodra de juiste celcontext is bereikt, gewoon door te demonteren, " Hoogtepunten van Salvador Ventura.

Salvador Ventura is hoofd van de groep Protein Folding and Conformational Diseases bij de IBB. "We zijn pas drie jaar geleden begonnen met de nanotechnologische onderzoekslijnen, maar onze kennis over het moleculaire mechanisme van eiwitassemblage in amyloïde structuren heeft ons geholpen nieuwe functionele, synthetische nanomaterialen met eigenschappen die niet kunnen worden bereikt met natuurlijke peptiden of eiwitten, " hij zegt.