science >> Wetenschap >  >> Chemie

Onderzoekers ontdekken dat enzymen van nature hun eigen polymeersequenties selecteren

Terwijl vrij stromende enzymen door een zee van polymeren reizen, een Northwestern Engineering-team heeft ontdekt dat die enzymen de voorkeur geven aan bepaalde polymeersequenties boven andere, een ontdekking die zou kunnen leiden tot toepassingen in een breed scala van gebieden, variërend van de verwerking van nucleair afval tot de levering van medicijnen.

"Van al deze batches van willekeur, we ontdekten dat elk specifiek enzym een ​​sequentie selecteert die het het leukst vindt, " zei Monica Olvera de la Cruz, de advocaat Taylor Professor of Materials Science and Engineering aan de Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science, die de studie leidde. "Dat is belangrijk omdat het licht werpt op hoe we de samenstelling van een partij polymeren kunnen ontwerpen, dus ze zullen enzymen actief verspreiden in niet-biologische omgevingen."

Geschreven door Olvera de la Cruz en twee collega's van McCormick's Department of Materials Science and Engineering - senior onderzoeksmedewerker Trung Dac Nguyen en onderzoeksassistent-professor Baofu Qiao - de studie, getiteld "Efficiënte inkapseling van eiwitten met willekeurige copolymeren, " vandaag gepubliceerd, 11 juni in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Enzymen spelen een vitale rol in een reeks chemische en biologische processen door biochemische reacties te vergemakkelijken en te sturen. Door de beperkte oplosbaarheid van sommige substraten in water, het behoud en/of het verbeteren van het katalytische vermogen van sommige enzymen in niet-waterige oplossingen is een toenemende vraag. Echter, de meeste enzymen verliezen snel hun chemische activiteit wanneer ze worden blootgesteld aan niet-biologische omgevingen, inclusief organische oplosmiddelen zoals tolueen en tetrahydrofuran. Hoewel er talloze strategieën voor enzymstabilisatie zijn gebruikt, zoals reverse engineering van enzymsequenties, het verfraaien van enzymen met oppervlakteactieve stoffen, of het wijzigen van de oplosmiddelen, de meeste zijn ofwel beperkt tot specifieke enzymen en oplosmiddelen of kostenineffectief.

Computersimulaties uitvoeren bij Quest, Northwestern's krachtige rekenfaciliteit, de onderzoekers onderzochten:de belangrijkste factoren die de dekking van de willekeurige copolymeren met verschillende soorten enzymen in een bepaald oplosmiddel bepaalden; hoe de enzymen de willekeurige copolymeren selecteerden om zichzelf te beschermen tegen ongunstige oplosmiddelen; en de relatie tussen de eigenschappen van het enzymoppervlak en de kenmerken van het polymeer.

"We ontdekten dat de enzymen inderdaad bepaalde polymeersequenties selecteren die hun oppervlak het beste bedekken uit de poel van de polymeren, Trung zei. "De willekeurige copolymeren bieden de samenstelling en sequentiediversiteit vergelijkbaar met die in ongeordende enzymen, wat verklaart waarom ze talrijke enzymen van verschillende grootte efficiënt kunnen afdekken, vorm, en oppervlaktepatronen."

De studie, gevoed door een subsidie ​​van het Amerikaanse ministerie van Energie en steun van de Sherman Fairchild Foundation die het rekenwerk mogelijk maakte, benadrukt dat deze speciale familie van copolymeren een uitstekend kandidaatmateriaal is voor het synthetiseren van membraanloze organellen - de vloeibare druppeltjes van microngrootte in cellen van levende organismen - en voor het stabiliseren en afleveren van enzymen over meerdere niet-biologische media.

"Direct, bijvoorbeeld, onderzoekers in de farmaceutische industrie proberen sequenties perfect op elkaar af te stemmen, " zei Olvera de la Cruz. "Onze ontdekking biedt richtlijnen om de verspreiding van enzymen veel kosteneffectiever en efficiënter te maken."

Olvera de la Cruz en haar collega's zijn nu van plan te onderzoeken hoe de membraanloze organellen zich spontaan kunnen vormen met deze copolymeren-enzymen, hoe ze hun maten kunnen controleren, en hoe de structurele eigenschappen van de enzymen in de organellen kunnen worden beïnvloed.

"De volgende stap is het verkennen van de mogelijkheden om verschillende enzymen samen te concentreren, die veelbelovend is in het bevorderen van hun katalytisch vermogen, bij het maken van nieuwe chemicaliën, evenals bij de verwerking van industrieel afval, op een efficiënte manier, ' zei Olvera de la Cruz.