Ruimtelijke en temporele regulering van meerstaps-enzymreacties door compartimentering is essentieel in onderzoeken die natuurlijke systemen zoals cellen en organellen nabootsen. Tot nu toe hebben wetenschappers liposomen, blaasjes of polymersomen gebruikt om de verschillende enzymen fysiek te scheiden in compartimenten, die functioneren als 'kunstmatige organellen'. Maar nu heeft een team onder leiding van directeur KIM Kimoon van het Center for Self-assembly and Complexity binnen het Institute for Basic Science in Pohang, Zuid-Korea, met succes dezelfde ruimtelijke regulatie van chemische reacties aangetoond door alleen hoorbaar geluid te gebruiken, wat totaal anders is dan de eerder genoemde methoden. Hun studie verschijnt in Nature Communications .

Geluid wordt veel gebruikt in de natuurkunde, materiaalkunde en andere gebieden, maar is zelden gebruikt in de chemie. Met name hoorbaar geluid (in het bereik van 20-20.000 Hz) is tot nu toe niet gebruikt in chemische reacties vanwege de lage energie. Voor het eerst had dezelfde groep van de IBS echter eerder met succes de ruimte-tijdregulatie van chemische reacties aangetoond door een selectieve oplossing van atmosferische gassen via staande golven gegenereerd door hoorbaar geluid in 2020.

Later observeerden ze nauwkeurig de beweging van de oplossing veroorzaakt door het hoorbare geluid en ontdekten dat de oplossing gescheiden was en niet vermengd vanwege het knoopgebied van de golf alsof de verschillende lagen werden geblokkeerd door een onzichtbare muur. Ze noemden dit voorbijgaande domein van de oplossing gecreëerd door hoorbaar geluid pseudo-compartimentering, en gebruikten het om op enzymen gebaseerde cascadereactienetwerken in een oplossing te controleren. Bij dit fenomeen vermengt de vloeistofstroom die wordt geïnduceerd in een container die op en neer trilt door hoorbaar geluid zich niet met elkaar rond het knooppunt van de golf, en als zodanig wordt de oplossing op natuurlijke wijze gecompartimenteerd.

Deze nieuwe bevinding inspireerde de groep om dit fenomeen te gebruiken om spatiotemporele regulatie van meerstaps-enzymreacties te proberen. Normaal gesproken vereist dit dat kunstmatige compartimenten worden gemaakt met behulp van lipiden of worden meestal polymeren gebruikt, maar de groep van Kim toonde aan dat dit mogelijk is met alleen hoorbaar geluid. Om dit te bereiken, ontwierpen ze een slim systeem door gebruik te maken van het feit dat zuurstof in de lucht alleen wordt opgelost in het antinode-gebied van de trillende oplossing (Figuur 1).

Om dit systeem te testen, voerde Kim's Group een meerstaps enzymreactie uit bestaande uit glucose-oxidase (GOx) en mierikswortelperoxidase (HRP). In de eerste stap katalyseert het enzym GOx de oxidatie van glucose en produceert waterstofperoxide. Dit peroxide wordt vervolgens door het enzym HRP gebruikt als brandstof voor de tweede stap, die de oxidatie van kleurloze ABTS-kleurstof tot cyaankleurige ABTS-radicaal omvat. De onderzoekers zouden weten dat hun systeem werkte zoals bedoeld als de cyaankleur op specifieke gebieden in de oplossing zou verschijnen.

Zoals verwacht waren de auteurs in staat om cyaankleurige concentrische ringpatronen visueel te observeren, wat bevestigde dat ze erin slaagden in spatiotemporele controle van de GOx-HRP-cascadereactie met alleen hoorbaar geluid (Figuur 2). De auteurs toonden verder aan dat deze methode kan worden uitgebreid om de redox-gedreven in situ-groei of pH-responsieve zelfassemblage van nanodeeltjes binnen tijdruimtelijke domeinen die in de oplossing aanwezig zijn, te beheersen. (Figuur 3A). Daarnaast presenteerden de auteurs ook de bereiding van hydrogels met nanodeeltjespatroon, die alleen in geselecteerde regio's zelf-geassembleerde deeltjes bevatten. Deze gels kunnen worden gebruikt in regiospecifieke celgroeiplatforms (Figuur 3B).

"Deze nieuwe benadering, waarbij gebruik wordt gemaakt van hoorbaar geluid, zal een totaal nieuwe en betrouwbare strategie bieden om chemische processen binnen voorspelbare maar tijdelijk gegenereerde pseudo-compartimenten binnen een oplossing te beheersen", legt directeur Kim uit. + Verder verkennen

Chemische reacties zien met muziek