Een nieuwe studie onthult een belangrijke ontdekking op het gebied van nanomachines in levende systemen. Prof. Sason Shaik van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en Dr. Kshatresh Dutta Dubey van de Shiv Nadar Universiteit voerden moleculaire dynamische simulaties uit van Cytochromen P450 (CYP450s) enzymen, waaruit bleek dat deze enzymen unieke zacht-robotachtige eigenschappen vertonen.

Cytochromen P450 (CYP450s) zijn enzymen die voorkomen in levende organismen en spelen een cruciale rol in verschillende biologische processen, vooral in het metabolisme van medicijnen en xenobiotica. De simulaties van de onderzoekers hebben aangetoond dat CYP450's een vierde dimensie bezitten:het vermogen om stimuli waar te nemen en erop te reageren, waardoor ze zachte robot-nanomachines in 'levende zaken' worden.

In de katalytische cyclus van deze enzymen bindt een molecuul dat een substraat wordt genoemd, zich aan het enzym. Dit leidt tot een proces dat oxidatie wordt genoemd. De structuur van het enzym heeft een beperkte ruimte waardoor het kan fungeren als een sensor en een zachte robot.

Het interageert met het substraat met behulp van zwakke interacties, zoals zachte schokken. Deze interacties brengen energie over, waardoor delen van het enzym en de moleculen daarin bewegen. Deze beweging genereert uiteindelijk een speciale stof genaamd oxoiron-soorten, waardoor het enzym een ​​verscheidenheid aan verschillende stoffen kan oxideren.

De belangrijkste conclusie uit deze moleculaire dynamica-simulaties is dat de katalytische cyclus van CYP450's complex is, maar een logische volgorde volgt. De beperkte ruimte, strategische residuplaatsingen en kanalen van het enzym zorgen ervoor dat het een gevoelige sensor is voor het substraat, zijn eigen heemveranderingen en conformationele verschuivingen op de actieve plaats. Deze detectie-responsmogelijkheid creëert een zachte robot met een vierde dimensie van detectie, iets dat voorheen ongezien was in reguliere 3D-materie.

"We hebben ontdekt dat CYP450's fungeren als zachte robotmachines in 'levende zaken', met een opmerkelijk vermogen tot waarnemen en reageren. Dit is een opwindende onthulling, en we geloven dat vergelijkbare mechano-transductiemechanismen van signalen met zachte impact zouden kunnen zijn aan het werk in andere zachte robotmachines in de natuur", aldus prof. Sason Shaik, een van de hoofdonderzoekers.

De bevindingen openen nieuwe wegen in het onderzoek naar zachte robotica, omdat 4D-materialen steeds belangrijker worden, aangedreven door externe triggers. Deze materialen, zoals hydrogels die via 3D-printen worden geproduceerd, lijken op enzymen wat betreft hun vermogen om veranderingen waar te nemen en te induceren. De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan het domein van de biologie en scheikunde, en kunnen een revolutie teweegbrengen op terreinen als het ontwerp van kunstmatige intelligentie en de zelfontwikkelende synthese van polymeren/gels.

Dr. Kshatresh Dutta Dubey, mede-onderzoeker van de studie, voegde hieraan toe:“We gaan een opwindend tijdperk binnen voor de chemie, waar zachte robotica en intelligent ontwerp van nanomachines tot ongekende vooruitgang kunnen leiden. De toekomst kan getuige zijn van de creatie van zelfontwikkelende polymeren en eeuwigdurende nanomachines die in staat zijn om naar believen nieuwe moleculen te synthetiseren."

De wetenschappers zijn van mening dat de integratie van de zachte robottaal en machineprogrammering de vooruitgang in de ontwikkeling van 4D-materialen zou kunnen versnellen en het volledige potentieel van zachte robots zou kunnen ontsluiten.

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Trends in Chemistry .

Meer informatie: Sason Shaik et al, Nanomachines in levende zaken:het cytochroom P450 van de zachte robot, Trends in Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.trechm.2023.07.002

Journaalinformatie: Trends in de chemie

Aangeboden door de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem