Te midden van de dierentuin van biomoleculen die essentieel zijn voor het leven, enzymen behoren tot de meest vitale. Zonder deze gespecialiseerde eiwitten, die de snelheid van chemische reacties versnellen, duizenden essentiële levensprocessen, van celgroei en spijsvertering tot ademhaling en zenuwfunctie, zou onmogelijk zijn.

Bij nieuw onderzoek Stuart Lindsay en zijn collega's onderzoeken een recent ontdekte prestatie van enzymen, en hoogstwaarschijnlijk alle eiwitten. Onder de juiste omstandigheden, ze kunnen fungeren als uitstekende geleiders van elektriciteit, waardoor ze kunnen worden opgenomen in een reeks elektronische apparaten. "Het is een manier om de verbazingwekkende chemische diversiteit van enzymen rechtstreeks in een computer te pluggen, ' zegt Lindsay.

Hoewel de rol van eiwitgeleiding in de natuur een kwestie van mysterie en speculatie blijft, het gebruik van dit fenomeen voor menselijk gebruik zal waarschijnlijk nieuwe wegen openen voor biochemische detectieapparatuur, slimme industriële productie en nieuwe innovaties in de medische diagnostiek.

Misschien wel het meest opwindende, elektrische geleiding door een speciaal type enzym kan een significante vooruitgang betekenen voor DNA-sequencing. Met behulp van een DNA-polymerase, de eigen DNA-lezer met hoge resolutie van de natuur, in zo'n apparaat zou mogelijk bliksemsnelle sequentiebepaling van hele menselijke genomen mogelijk maken met ongekende nauwkeurigheid tegen zeer lage kosten. De nieuwe studie "opent de doos van Pandora door te kijken naar de functie van een enzym in een computerchip."

Lopende zaken

Auteurs van de nieuwe studie beschrijven de trucs die ze gebruikten om een ​​DNA-polymerase aan een paar elektroden te bevestigen en de resulterende stroompieken die verband houden met het enzym dat achtereenvolgens doel-DNA-nucleotiden bindt en vrijgeeft. De succesvolle demonstratie van enzymgeleiding effent de weg voor het uiteindelijk monteren van arrays van eiwitten op computerchips, waar ze kunnen fungeren als biologische parallelle verwerkers voor een verscheidenheid aan taken.

"Enzymen zijn ongelooflijke moleculen die chemische reacties uitvoeren die anders niet zouden gebeuren, " zegt Lindsay. Om een ​​idee te geven van de kracht van deze moleculen, bepaalde reacties die essentieel zijn voor levensprocessen, zich duizenden keren per seconde ontvouwen, zou millennia nodig hebben om plaats te vinden in de afwezigheid van enzymen.

Lindsay leidt het Biosedign Center for Single Molecule Biophysics aan de Arizona State University. Het primaire onderzoek van het centrum richt zich op wetenschap op het snijvlak van moleculaire geneeskunde en nanotechnologie.

De bevindingen van zijn groep verschijnen in de komende editie van het tijdschrift ACS Nano .

Eiwitten als geleiders

Tot recent, eiwitten werden strikt beschouwd als isolatoren van elektrische stroom. Nutsvoorzieningen, het lijkt, hun ongebruikelijke fysieke eigenschappen kunnen leiden tot een toestand waarin ze gevoelig in evenwicht zijn tussen een isolator en een geleider. (Een fenomeen dat bekend staat als kwantumkritiek kan de kern vormen van hun eigenaardige gedrag.)

Inderdaad, in eerder onderzoek, Lindsay demonstreerde een sterke elektrische geleiding door een eiwit dat tussen een paar elektroden was gevangen. Het nieuwe onderzoek brengt het onderzoek naar eiwitgeleiding een stap verder. Eerder, het eiwit was aangesloten via zijn twee zogenaamde actieve sites. Dit zijn de gebieden van een eiwit die geselecteerde moleculen binden, vaak resulterend in een conformationele verandering in de complexe 3D-structuur van het molecuul en de voltooiing van de gegeven taak van het eiwit.

Deze keer, het biomolecuul was gevoelig op de elektroden aangesloten door middel van alternatieve bindingsplaatsen op het enzym, waardoor de actieve plaatsen beschikbaar blijven om moleculen te binden en de natuurlijke eiwitfunctie uit te voeren.

De Kindle van de natuur

Het enzymmolecuul dat voor de experimenten is gekozen, is een van de belangrijkste voor het leven. Bekend als een DNA-polymerase, dit enzym bindt met opeenvolgende nucleotiden in een stuk DNA en genereert een complementaire keten van nucleotiden, een voor een. Deze veelzijdige nanomachine wordt in levende systemen gebruikt voor het kopiëren van DNA tijdens celreplicatie en voor het repareren van breuken of andere beledigingen van het DNA.

De studie beschrijft technieken om het DNA-polymerase aan elektroden te bevestigen om sterke geleidingssignalen te genereren door middel van twee gespecialiseerde bindende chemicaliën die bekend staan ​​als biotine en streptavidine. Toen één elektrode met deze techniek werd gefunctionaliseerd, kleine geleidingspieken werden gegenereerd toen het DNA-polymerase achtereenvolgens elk nucleotide bond en losliet, als een grijpende hand die een honkbal vangt en loslaat. Toen beide elektroden waren uitgerust met streptavidine en biotine, veel sterkere geleidingssignalen, 3-5 keer zo groot meten, waren geobserveerd.

Het idee om een ​​polymerase te gebruiken om snelle DNA-sequencing uit te voeren, is al een tijdje bij Lindsay. Hij had overwogen om het te gebruiken in eerdere apparaten die hij maakte waarin stukken DNA door nauwe tunnelovergangen werden gevoerd. "Zou het niet mooi zijn als je een paar elektroden in polymerases zou kunnen plaatsen, omdat de polymerase het DNA grijpt en het door de kruising sleept. Als je een uitleesmechanisme had ingebed in de polymerase, je hebt de ideale sequencing-machine."

De nieuwe methode hoopt een andere aanpak te krijgen, door gebruik te maken van de eigen speed-reading-expertise van de polymerase om een ​​uitlezing van nucleotiden te verschaffen door middel van conductantiepieken die specifiek zijn voor elk van de 4 DNA-basen. In praktijk, een aantal ontwerphindernissen moeten worden overwonnen. Een juiste aanhechting van het polymerase voor elektrische geleiding is een delicate aangelegenheid en bracht veel vallen en opstaan ​​met zich mee. Bindingsplaatsen moeten worden ontworpen op specifieke domeinen die de eiwitvouwing en -functie niet beïnvloeden, en er moesten verbindingen worden bedacht om te voorkomen dat het enzym zelf contact maakt met de elektroden. Het gebruik van biotine voor het binden van het molecuul lijkt ook van cruciaal belang voor een hoge geleiding. Biotine dat een zak van het streptavidine bindt, lijkt het elektronentransport diep in het eiwitinterieur te stimuleren, waardoor de geleiding wordt gemaximaliseerd.

Het scheiden van geleidingssignalen die elke opeenvolgende DNA-base registreren van achtergrondruis en willekeurige bewegingen van de contactpunten voor het enzym, is ook een uitdaging gebleken en er worden geavanceerde algoritmen voor machinaal leren gebruikt om de uitlezingen van de geleiding te verduidelijken. Lindsay gelooft dat veel van deze geluidsproblemen zullen worden opgelost wanneer de polymerasen worden opgenomen in goed geïsoleerde en afgesloten chips die het enzym stevig op zijn plaats houden.

Enzymgrenzen

Het eerste volledige menselijke genoom was een mijlpaal voor wetenschap en geneeskunde. De enorme inspanning van het Human Genome Project kostte 13 jaar arbeid en kostte een miljard dollar. Nu kunnen de sluizen naar een nieuw tijdperk van eiwitbio-elektronica worden geopend, met veel verrassingen in petto.

Als de resterende technische hindernissen kunnen worden overwonnen, DNA-sequencing zou kunnen worden uitgevoerd met de halsbrekende snelheid van een functioneel DNA-polymerase, of ongeveer honderd nucleotiden per seconde. "Als je 10 zet, 000 moleculen op een chip - niet moeilijk om te doen - je sequeneert een heel genoom in minder dan een uur, " zegt Lindsay