Biomacromoleculen opgenomen in op maat gemaakte metaal-organische raamwerken met behulp van peptidemodulatoren zijn goed afgeschermd maar zeer actief dankzij zorgvuldig afgestemde nanoarchitectuur. Zoals wetenschappers rapporteren in het tijdschrift Angewandte Chemie , deze strategie kan worden gebruikt om een ​​"kunstmatige cel" te synthetiseren die functioneert als een optische glucosesensor.

Biomacromoleculen, zoals enzymen, controlereacties in cellen met veel hogere efficiëntie, specificiteit, en selectiviteit dan in synthetische systemen. Bij gebruik buiten een cel, veel van deze gevoelige moleculen hebben een synthetische schil nodig. Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn hiervoor zeer geschikt. Deze kooiachtige structuren hebben metaalionen als knopen, die zijn verbonden door organische liganden. Biomoleculen kunnen tijdens hun zelfassemblageproces gemakkelijk binnen deze raamwerken worden opgenomen. Echter, de beperkte toegankelijkheid van de biomoleculen in de schillen zorgt er vaak voor dat de activiteit van deze biohybriden tegenvalt.

Een team onder leiding van Gangfeng Ouyang aan de Sun Yat-sen University in Guangzhou, China, heeft nu een eenvoudige strategie geïntroduceerd om dergelijke biohybriden op maat te maken om nano-architecturen met hoge activiteiten te vormen. De sleutel tot hun succes ligt in de toevoeging van specifieke peptiden die als "modulatoren" de structuur beïnvloeden.

De onderzoekers kozen ervoor om te werken met mierikswortelperoxidase als hun modelbiomolecuul. Dit enzym breekt waterstofperoxide af en wordt in de industrie gebruikt voor de milieuvriendelijke oxidatie van aromatische amines. De knopen in het metaal-organische raamwerk zijn zinkionen, die zijn verbonden door 2-methylimidazolliganden. De modulator is γ-poly-L-glutaminezuur, een natuurlijk biopolymeer met meerdere negatieve ladingen dat zich bindt aan positieve groepen op het peroxidase en competitief coördineert met zinkionen. De modulator en peroxidase zijn, dus, beide opgenomen in de MOF. Het variëren van de hoeveelheid modulator levert verschillende morfologieën op, zoals driedimensionale veelvlakken, die zijn als kleine "sterren" gemaakt van verweven tweedimensionale spoelvormige lagen van ongeveer 150 nm dik, of driedimensionale bloemachtige structuren. Terwijl de enzymactiviteit in de microporeuze 3D-structuren laag is, de enzymen in de 2-D MOF's zijn bijna net zo actief als in de vrije toestand. Dit is een gevolg van de grote poriën en relatief korte kanalen in de 2D-structuren, waardoor het substraat snel toegang heeft tot het enzym. Tegelijkertijd, het enzym is goed beschermd tegen enzymen die eiwitten afbreken, hoge concentraties ureum, verhoogde temperaturen, en een aantal organische oplosmiddelen, wat voordelig is voor industriële toepassingen.

De onderzoekers waren ook in staat om een ​​"kunstmatige cel" te bouwen die de cellulaire cascades nabootst die betrokken zijn bij signaaltransductie en fungeert als een glucosesensor. Voor deze, ze verwerkten verschillende componenten in een 2-D MOF:glucose-oxidase (GOx) en eiwitgebonden fluorescerende gouden nanoclusters die waterstofperoxide katalytisch afbreken. Toevoeging van glucose initieert de cascade. De glucose wordt geoxideerd door de GOx, die waterstofperoxide vormt. Dit wordt vervolgens omgezet met een substraat door de gouden nanoclusters, waarna het substraat blauw wordt. parallel, de gouden nanoclusters zijn geoxideerd, die de fluorescentie dooft. Beide optische signalen zijn evenredig met de glucoseconcentratie en zijn gevoelig in twee complementaire concentratiebereiken.