Aangezien de COVID-19-vaccinaties in volle gang zijn, mensen wachten op een terugkeer naar het normale leven. Echter, angsten groeien ook door onvoorziene bijwerkingen zoals de zeldzame trombose. In het lichaam, het leven wordt in stand gehouden door de beweging van stoffen of energie. Chemische reacties worden gereguleerd door de aanwezigheid van organellen, of kernstructuren van cellen, die specifieke enzymen of cofactoren herbergen. Een nanoreactor met zowel de activiteit van een synthetische katalysator, zoals een kunstmatig organel dat een cel nabootst, en de eigenschappen van een enzym, creëert een platform voor het selectief synthetiseren van natuurlijke enantiomere bioactieve moleculen die kunnen reageren op pathogenen in het lichaam. Echter, tot nu, een nanoreactor met de functies van zowel een synthetische katalysator als een enzym voor een dergelijk platform is niet gerapporteerd.

Hiertoe, een onderzoeksteam van POSTECH heeft onlangs een chemo-enzymatische nanostructuur gesynthetiseerd die selectief één enantiomeer kan synthetiseren terwijl het werkt als een kunstmatig organel in de cel.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor In Su Lee, Onderzoeksprofessor Amit Kumar, en Ph.D. kandidaat Seonock Kim van POSTECH's Department of Chemistry is erin geslaagd een silica-nanostructuur (SiJAR) te ontwerpen als een kunstmatig organel voor selectieve synthese van enantiomeren in cellen. Deze onderzoeksbevinding werd geselecteerd als de voorkant van Angewandte Chemie , en online gepubliceerd op 21 juni, 2021.

De eerste overweging bij het ontwerpen van nanostructuren voor intracellulaire toepassingen is om het reactieve oppervlak van katalytische nanokristallen stabiel te co-lokaliseren en te behouden, terwijl het enzym wordt beschermd tegen inactivatie. Tot nu, de katalyse van door de natuur geïnspireerde holle nanostructuren die katalytische nanokristallen of enzymen herbergen, of allebei, is alleen experimenteel bewezen en niet aangetoond in levende organismen. Dit komt omdat microporeuze gesloten nanostructuren de toegang en co-lokalisatie van katalytische nanokristallen en grote biomoleculen beperken.

Het onderzoeksteam synthetiseerde ronde potvormige SiJAR's met chemo-responsieve metaalsilicaatdeksels door de chemische samenstelling van een sectie in de reactor te wijzigen met behulp van ruimtelijk-temporele gecontroleerde thermische conversiechemie. Door de verdeelde configuratie van SiJAR, verschillende katalytische edelmetalen (Pt, pd, Ru) werden selectief gemodificeerd op het dekselgedeelte door galvanische reacties. Vervolgens, het deksel werd geopend onder milde zure omstandigheden of een intracellulaire omgeving, het creëren van een brede doorgang in de schaal terwijl de resterende metaalkatalysator van het deksel naar binnen wordt geschoven. Deze open structuur herbergt grote enzymen, waardoor inkapseling wordt vergemakkelijkt.

De nanoreactor die in deze studie is gesynthetiseerd, is samengesteld uit silica met een hoge biocompatibiliteit en door katalytische nanokristallen of grote biomoleculen te beschermen in een silica-compartiment met open mond, het voerde een asymmetrische aldolreactie uit met hoge enantioselectiviteit via een enzym-metaal-coöperatieve overgangstoestandstabilisatie. In aanvulling, de onderzoekers bevestigden dat het functioneert als een kunstmatig katalytisch organel door de reactie stabiel in levende cellen uit te voeren.

Het hybride chemo-enzymatische nanodevice, aanpasbaar via deze geavanceerde solid-state conversiestrategie, heeft een structuur en functie die vergelijkbaar is met die van intracellulaire organellen, en kan worden gebruikt voor het synthetiseren van actieve therapieën en bio-imaging-probes lokaal in cellen om geschikt te zijn voor gebruik in bio-imaging en behandeling van de volgende generatie.

"Met de resultaten van dit onderzoek met behulp van de unieke Nanospace-Confined Chemical Reactions (NCCR), we kijken uit naar de ontwikkeling van de technologie die celfuncties kunstmatig reguleert, " merkte professor In Su Lee op, die de studie leidde.