De activiteit van enzymen in industriële processen, laboratoria, en levende wezens kunnen op afstand worden bestuurd met behulp van licht. Dit vereist hun immobilisatie op het oppervlak van nanodeeltjes en bestraling met een laser. Nabij-infrarood licht kan levend weefsel binnendringen zonder het te beschadigen. De nanodeeltjes absorberen de energie van de straling en geven deze weer af in de vorm van warmte of elektronische effecten, triggering of intensivering van de katalytische activiteit van de enzymen. Dit vormt een nieuw onderzoeksgebied dat bekend staat als plasmonische biokatalyse.

Onderzoek uitgevoerd aan de Universiteit van São Paulo's Chemistry Institute (IQ-USP) in Brazilië onderzocht de activiteit van enzymen die geïmmobiliseerd zijn op gouden nanodeeltjes gecontroleerd door infrarood laserbestraling. Een artikel over de resultaten is gepubliceerd in ACS Katalyse , een tijdschrift van de American Chemical Society.

De studie werd ondersteund door São Paulo Research Foundation-FAPESP via een postdoctorale beurs en een beurs voor een onderzoeksstage in het buitenland toegekend aan de hoofdauteur, Heloise Ribeiro de Barros; een subsidie ​​voor apparatuur voor meerdere gebruikers; en het thematische project "Optimalisatie van de fysisch-chemische eigenschappen van nanogestructureerde materialen voor toepassingen in moleculaire herkenning, katalyse en energieconversie/opslag", onder leiding van Roberto Manuel Torresi.

"We gebruikten een lipase [CaLB] als het modelenzym, geïmmobiliseerd op gouden nanodeeltjes met twee vormen:bollen en sterren, " vertelde Ribeiro de Barros. "De infraroodlaser versnelde de activiteit van het enzym op niet-invasieve wijze door het te bestralen met extern licht."

Uit het onderzoek bleek dat niet alleen de samenstelling van het materiaal, maar ook de geometrie het effect van de nanodeeltjes op het enzym beïnvloedde. "De enzymatische activiteit was aanzienlijk verbeterd toen de lipase werd geïmmobiliseerd op gouden nanosterren, met een stijging tot 58%, " Ribeiro de Barros zei. "Ter vergelijking, de gouden nanosferen bevorderden een veel kleinere toename van 13%. De grotere toename kwam overeen met het effect van resonantie tussen de oppervlakken van de nanosterren en straling van de laser."

De omvang die hier wordt beschouwd, is gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR). Terwijl de LSPR van de nanosferen absorbeert bij 525 nanometer, die van de nanosterren bereikt 700 nm, veel dichter bij de infrarode lasergolflengte, dat is 808 nm.

"Het invallende licht zet energiegedreven processen in de gouden nanodeeltjes op gang, zoals een stijging van de temperatuur of elektronische effecten, en dit beïnvloedt de eigenschappen van de enzymen die op hun oppervlak zijn geïmmobiliseerd, " zei Ribeiro de Barros. "Het was mogelijk om te concluderen dat gelokaliseerde fotothermische verwarming op de oppervlakken van de gouden nanosterren bevorderd door LSPR-excitatie leidde tot verbeterde biokatalyse van lipase. Deze conclusie kan worden uitgebreid naar andere combinaties van enzymen en plasmonische nanodeeltjes."

Het brede scala aan potentiële toepassingen omvat biokatalyse om chemische reacties op industriële schaal te versnellen en in vivo controle van ziekteverwekkende enzymen. In de verre toekomst, dit soort processen zou mogelijk kunnen worden gebruikt om ziekten zoals Parkinson en Alzheimer te behandelen. Er zal meer onderzoek nodig zijn voordat het een echt alternatief kan worden, natuurlijk.

"Vanuit medisch oogpunt het hoofddoel van de studie was om in de nabije toekomst oplossingen aan te dragen voor de behandeling van ziekten zonder de noodzaak van invasieve chirurgie en met een specifieke ruimtelijke en temporele benadering om de bijwerkingen van de huidige methoden te vermijden, ' zei Ribeiro de Barros.