Met behulp van DNA-moleculen als een architectonisch platform, Wetenschappers van de Arizona State University, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Michigan, hebben een 3D kunstmatige enzymcascade ontwikkeld die een belangrijke biochemische route nabootst die belangrijk zou kunnen blijken voor toekomstige biomedische en energietoepassingen.

De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Onder leiding van ASU-professor Hao Yan, het onderzoeksteam omvatte ASU Biodesign Institute-onderzoekers Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, Professor Yan Liu en Professor Neal Woodbury samen met collega's Professor Nils Walter en postdoctoraal fellow Alexander Johnson-Buck aan de Universiteit van Michigan.

Onderzoekers op het gebied van DNA-nanotechnologie, profiteren van de bindende eigenschappen van de chemische bouwstenen van DNA, verdraai en assembleer DNA tot steeds fantasierijkere 2- en 3-dimensionale structuren voor medische, elektronische en energietoepassingen.

In de laatste doorbraak het onderzoeksteam ging de uitdaging aan om enzymen na te bootsen buiten de vriendelijke grenzen van de cel. Deze enzymen versnellen chemische reacties, gebruikt in ons lichaam voor de vertering van voedsel in suikers en energie tijdens de menselijke stofwisseling, bijvoorbeeld.

"We kijken naar de natuur voor inspiratie om door de mens gemaakte moleculaire systemen te bouwen die de geavanceerde nanoschaalmachines nabootsen die zijn ontwikkeld in levende biologische systemen, en we ontwerpen rationeel moleculaire nanoscaffolds om biomimicry op moleculair niveau te bereiken, " zei Jan, die de Milton Glick-leerstoel bekleedt bij de ASU-afdeling Chemie en Biochemie en leiding geeft aan het Center for Molecular Design and Biomimicry aan het Biodesign Institute.

Met enzymen, alle bewegende delen moeten strak worden gecontroleerd en gecoördineerd, anders zal de reactie niet werken. De bewegende delen, waaronder moleculen zoals substraten en cofactoren, ze passen allemaal in een complexe enzymzak, net als een honkbal in een handschoen. Zodra alle chemische onderdelen hun plaats in de zak hebben gevonden, de energetische stoffen die de reactie beheersen, worden gunstig, en laat chemie snel gebeuren. Elk enzym geeft zijn product af, als een stokje overhandigd in een estafetteloop, naar een ander enzym om de volgende stap in een biochemische route in het menselijk lichaam uit te voeren.

Voor de nieuwe studie de onderzoekers kozen een paar universele enzymen, glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6pDH) en malaatdehydrogenase (MDH), die belangrijk zijn voor de biosynthese - het maken van de aminozuren, vetten en nucleïnezuren die essentieel zijn voor al het leven. Bijvoorbeeld, defecten die in de route worden gevonden, veroorzaken bloedarmoede bij mensen. "Dehydrogenase-enzymen zijn bijzonder belangrijk omdat ze het grootste deel van de energie van een cel leveren", zei Wouter. "Werken met deze enzymen zou kunnen leiden tot toekomstige toepassingen in de productie van groene energie, zoals brandstofcellen die biomaterialen als brandstof gebruiken."

In het pad, G6pDH gebruikt het glucosesuikersubstraat en een cofactor genaamd NAD om waterstofatomen uit glucose te strippen en over te brengen naar het volgende enzym, MDH, om door te gaan en appelzuur te maken en daarbij NADH te genereren, die wordt gebruikt als een belangrijke cofactor voor biosynthese.

Het opnieuw maken van dit enzympaar in de reageerbuis en het buiten de cel laten werken is een grote uitdaging voor DNA-nanotechnologie.

Om de uitdaging aan te gaan, ze maakten eerst een DNA-steiger die eruitziet als verschillende aan elkaar gelijmde papieren handdoekrollen. Met behulp van een computerprogramma, ze waren in staat om de chemische bouwstenen van de DNA-sequentie zo aan te passen dat de steiger zichzelf zou assembleren. Volgende, de twee enzymen waren bevestigd aan de uiteinden van de DNA-buisjes.

In het midden van de DNA-steiger, ze bevestigden een enkele streng DNA, met de NAD+ aan het uiteinde vastgebonden als een bal en touw. Yan noemt dit een zwaaiende arm, die lang is, flexibel en handig genoeg om heen en weer te schommelen tussen de enzymen.

Nadat het systeem in een reageerbuis was gemaakt door het DNA op te warmen en af ​​te koelen, wat leidt tot zelfmontage, de enzymdelen werden toegevoegd. Ze bevestigden de structuur met behulp van een krachtige microscoop, een AFM genoemd, die tot op nanoschaal kan kijken, 1, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

Net als architecten, de wetenschappers bouwden eerst een volledig model zodat ze de ruimtelijke geometrie en structuren konden testen en meten, inclusief in hun opstelling een kleine fluorescerende kleurstof die aan de zwaaiarm was bevestigd. Als de reactie plaatsvindt, ze kunnen een rood bakensignaal meten dat de kleurstof afgeeft - maar in dit geval, in tegenstelling tot een verkeerslicht, een rood lampje betekent dat de reactie werkt.

Volgende, ze probeerden het enzymsysteem en ontdekten dat het precies hetzelfde werkte als een cellulaire enzymcascade. Ze maten ook het effect bij het variëren van de afstand tussen de zwaaiarm en de enzymen. Ze ontdekten dat er een goede plek was, op 7nm, waarbij de armhoek evenwijdig was aan het enzympaar.

Met een enkele zwaaiende arm in het reageerbuissysteem die net werkt als de cellulaire enzymen, ze besloten om wapens toe te voegen, het testen van de grenzen van het systeem met maximaal 4 toegevoegde armen. Ze waren in staat om te laten zien dat als elke arm werd toegevoegd, de G6pDH zou kunnen bijbenen om nog meer product te maken, terwijl de MDH na slechts twee zwaaiende armen het maximale had bereikt. "Het op een rij zetten van enzymen langs een ontworpen assemblagelijn zoals Henry Ford deed voor auto-onderdelen is bijzonder bevredigend voor iemand die in de buurt van de motorstad Detroit woont, " zei Wouter.

Het werk opent ook een mooie toekomst waarin biochemische routes buiten de cel kunnen worden gerepliceerd om biomedische toepassingen te ontwikkelen, zoals detectiemethoden voor diagnostische platforms.

"Een nog verhevener en waardevoller doel is het ontwikkelen van zeer geprogrammeerde trapsgewijze enzymroutes op DNA-nanostructuurplatforms met controle over invoer- en uitvoersequenties. Door dit doel te bereiken, kunnen onderzoekers niet alleen de elegante enzymcascades nabootsen die in de natuur worden gevonden en proberen hun onderliggende werkingsmechanismen, maar de constructie van kunstmatige watervallen zou vergemakkelijken die in de natuur niet bestaan, " zei Jan.