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Los sistemas vivos se basan en una vertiginosa variedad de reacciones químicas esenciales para el desarrollo y la supervivencia. La mayoría de éstos implican una clase especializada de moléculas de proteína - las enzimas.
En un nuevo estudio, Hao Yan, director del Centro de Diseño Molecular y Biomimética de la Biodesign Institute de la Universidad del Estado de Arizona presenta una forma inteligente de localizar y confinar las enzimas y las moléculas de sustrato que se unen a, la aceleración de las reacciones esenciales para los procesos vitales.
La investigación, que aparece en la edición actual de la revista Nature Communications, podría tener aplicaciones en campos que van desde la mejora de la eficiencia industrial a nuevos diagnósticos médicos pioneros, guiando administración dirigida de fármacos y la producción de materiales inteligentes de gran alcance. El trabajo también promete arrojar nueva luz sobre los detalles de la organización celular y el metabolismo.
La técnica consiste en el diseño de las jaulas, a escala nanométrica especializada, que se auto-ensamblan a partir de tramos de ADN. Las jaulas tienen enzima y el sustrato en estrecha proximidad, lo que acelera considerablemente la velocidad de las reacciones y protegiéndolos de la degradación.
"Hemos sido el diseño de nanoestructuras de ADN programables con el aumento de la complejidad de muchos años, y ahora es el momento de preguntar qué podemos hacer con estas estructuras", dice Yan. "Hay muchas otras aplicaciones de esta tecnología emergente. A través de nuestro esfuerzo de colaboración interdisciplinaria, que aquí describimos el uso de nano-cajas de ADN diseñador para compartimentar las reacciones enzimáticas en un ambiente confinado. Con la inspiración de la naturaleza, hemos descubierto propiedades interesantes, algunos inesperados."
Zhao Zhao, un investigador en el Centro de Diseño Molecular y Biomimética fue el autor principal del artículo, que fue co-autor con investigadores de ASU, así como el Departamento de Química de la Rutgers y el Departamento de Química de Moléculas Individuales Grupo de Análisis, Universidad de Michigan.
mundo de la enzima
Como activadores químicos para prácticamente todas las reacciones en el cuerpo, las enzimas son participantes clave en la actividad normal de las células, tejidos, fluidos y órganos. Cientos de miles de enzimas metabólicas están presentes en el cuerpo humano, que participan en diversas actividades, incluyendo la copia y reparación del ADN y la transformación de la glucosa en energía utilizable. En otra parte, unos 22 enzimas digestivas descomponen los carbohidratos (amilasas), grasas (lipasas) y azúcares (disacáridos), mientras que los llamados enzimas proteasas digieren las proteínas.
Las enzimas suelen ser muy específicos, no sólo en las funciones útiles que realizan, pero los sustratos precisos con los que van a trabajar. moléculas de sustrato de exactamente el tamaño y la forma de vinculación con sus enzimas apropiadas como los ajustes correctos de las teclas en las crestas y surcos de un bloqueo.
Los sustratos se adhieren a moléculas de enzima en una región particular conocido como el sitio activo. Una vez que la enzima y el sustrato se han combinado, se forma un producto químico y luego se libera, volviendo la enzima a su configuración original en el que está listo para funcionar en una nueva molécula de sustrato.
Para que este tipo de reacciones a tener lugar de una manera eficiente, la naturaleza ha ideado métodos de compartimentación, formando emplazamientos de reactores naturales donde las reacciones enzima-sustrato se despliegan. La célula en sí es un compartimiento tal, como lo son diversos orgánulos unidos a la membrana que se encuentran en eucariotas, (células que contienen un núcleo), incluyendo mitocondrias, lisosomas y peroxisomas.
Compartimentación de reactivos ayuda a superar una variedad de desafíos, con lo que los productos químicos de unión en proximidad acogedor, aislando los complejos de enzima-sustrato de competencia químicos de reacción, mejorando el rendimiento de moléculas de producto producido y la reducción de la toxicidad de diversos productos químicos intermedios a veces pueden causar.
Con el fin de inducir o catalizar reacciones químicas para una variedad de propósitos, los biólogos sintéticos han copiado una página del libro de recetas de la naturaleza, el diseño de los compartimentos artificiales fabricados a partir de proteínas, lípidos o los ácidos nucleicos que se encuentra en ADN, (como en el presente estudio).
Encuentros cercanos
Yan y sus colegas diseñaron sus reactores de síntesis de enzimas de las casas y sus sustratos, lo que permite conversiones químicas que tienen lugar en un ambiente controlado. Cada estructura minuto, que mide tan sólo 54 nanómetros de diámetro, es algo así como un huevo de Faberge cuyas mitades separadas se unen para encapsular sus contenidos químicos. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro o aproximadamente 80.000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano).
Usando las propiedades de apareamiento de bases de nucleótidos de ADN cuatro, etiquetados A, T, C y G permite a los arquitectos a nanoescala como Yan para la construcción de miles de formas en dos y tres dimensiones. En el nuevo estudio, los nano-cajas de ADN se utilizan para encapsular enzimas metabólicas con un alto rendimiento de montaje y control de afinarse más de reactivos y productos.
La construcción de los nano-cajas tiene lugar en dos pasos. En primer lugar, las enzimas individuales están unidos en las estructuras de media-jaula abierta. A continuación, las medias jaulas se montan juntos en un nanojaula completo, cerrado. Para crear las medias jaulas, se utiliza una técnica conocida como origami ADN. Las longitudes de ADN viral se preparan para la auto-ensamblan para formar una celosía de nido de abeja, la vinculación con los nucleótidos C y T con G.
Las jaulas de medio abierto por los lados de las nano-cajas de ADN permiten el acceso de las grandes moléculas de proteínas en la cavidad interna de la nanojaula. Las dos medias jaulas están ensamblados, junto con la ayuda de cadenas de ADN corto puente que se unen con las secuencias de ADN complementarias se extiende desde los bordes del medio, ya sea de jaula, (ver la animación de acompañamiento). Los pequeños huecos en cada uno de las superficies superior e inferior de la DNA nanojaula permiten la difusión de pequeñas moléculas a través de las paredes de ADN.
Sondeo de la nanoescala
Para examinar las estructuras resultantes, se utilizó microscopía electrónica de transmisión, junto con electroforesis en gel y experimentos de fluorescencia de una sola molécula que demostró que cerca de 100 por ciento de los segmentos de ADN formado correctamente estructuras medio de jaula y más de 90 por ciento formado jaulas llenas.
El estudio examinó seis enzimas diferentes, que varían en tamaño desde el más pequeño, que mide ~ 44kD (kilodaltons) a la más grande, ~ 450 kD. Los seis enzimas se encapsulan con éxito en nano-cajas, aunque los rendimientos variaron de acuerdo al tamaño de la enzima. El más grande de enzimas examinadas, conocido como β-galactosidasa, mostró el rendimiento más bajo de 64 por ciento.
A continuación, se evaluó la actividad de pares de enzima-sustrato. Además de llevar el par enzima-sustrato en proximidad de unión más cerca, también se cree encapsulación en la nanojaula para facilitar la actividad a través de las condiciones de densidad de carga eléctrica únicas dentro de la nanojaula.
Experimentos posteriores demostraron que la mayor parte del efecto sobre la actividad de la enzima-sustrato en nano-cajas es debido al ambiente de carga única dentro de nano-cajas, en lugar de la proximidad de la enzima-sustrato. Los autores sugieren que las enzimas encapsuladas muestran una actividad más alta dentro de jaulas de ADN densamente empaquetadas como resultado del medio ambiente de agua altamente ordenada, con enlaces de hidrógeno que les rodea.
Una evaluación de la actividad enzimática mostró un aumento de 4 a 10 veces para las enzimas encapsuladas en nano-cajas, en comparación con la actividad de enzimas libres. tasa de rotación de la enzima - definido como el número máximo de conversiones químicas de las moléculas de sustrato por segundo - se correlaciona inversamente con el tamaño de las enzimas encapsuladas, con la enzima más pequeño produciendo el mayor volumen de ventas.
celdas futuras
Las jaulas de ADN demostraron su capacidad de recuperación durante los experimentos, conservando su forma estructural a través de las reacciones enzimáticas. También protegidos enzimas encapsuladas de desactivación debido a los productos químicos digestivos, permitiendo al mismo tiempo la difusión ininterrumpida de sustratos de molécula pequeña y productos de reacción a través de los nanoporos de la jaula de ADN.
La encapsulación en nano-cajas ha demostrado aumentar la fracción de moléculas de enzima activos y sus números de volumen de negocios individuales. Así pues, el método proporciona una nueva herramienta molecular para modificar el entorno local que rodea las enzimas y sus sustratos, abriendo la puerta a nuevas aplicaciones en materiales inteligentes y aplicaciones biomédicas. Entre estos últimos son jaulas futuristas, programables que podrían ser utilizados como mecanismos de entrega a nanoescala para una amplia gama de agentes terapéuticos.
Las características estructurales que impiden la formación de hielo en las plumas de pingüinos se han copiado para hacer una superficie de polímero resistente al hielo. El equipo detrás de la obra dice la superficie podría ayudar a diseñar nuevos revestimientos resistentes al congelamiento, y podría algún día conducir a un revestimiento para proteger a los barcos y aviones de las tormentas de hielo mortales.En los últimos años se han dedicado muchos esfuerzos en el desarrollo de superficies superhydrophobic que repelen el agua, el uso de crestas o protuberancias para crear desnivel que evita la sedimentación del agua. Pero a bajas temperaturas, estos son vulnerables a la cubierta con hielo si forman cristales de hielo en los espacios entre las crestas o las gotitas de agua se unen y congelación.Algunas superficies hidrofóbicas toman sus diseños de la naturaleza, tales como las hojas de las plantas resbaladizas o el escarabajo del desierto de Namib, y en este caso los investigadores recurrieron a los pingüinos - que puede caminar y nadar en temperaturas bajo cero sin que las plumas glaseado sobre - en busca de inspiración.Se recogieron algunas plumas de pingüino de Humboldt derramada de un zoológico en Beijing y los miraron con un microscopio electrónico de barrido. Se identificaron varias estructuras que atrapan el aire, incluyendo las crestas de nanoescala y entrelazados ganchos en las barbas de las plumas que crearían la superficie rugosa característica necesaria para superhydrophobicity. Cuando los rociaron con microgotas de agua subfundidas encontraron que, además de ser muy bueno en repeler el agua, las plumas se detuvo la formación de hielo. "Creemos que las nano-ranuras de la pluma y las distancias entre las plumas microescala adyacentes son cruciales para el icephobicity, 'dice el miembro del equipo de Jingming Wang, de la Universidad de Beihang. El grupo observó que ni las gotas de agua ni los cristales de hielo eran capaces de adherirse a las plumas también.Bajo el microscopio, la pluma de poliimida réplica (arriba) tiene una distribución de densidad radial (abajo) similar a una pluma verdadera pingüino © American Chemical SocietyEl siguiente paso fue tratar de replicar estas propiedades de resistencia al hielo en una superficie artificial. El equipo utilizó electrospinning para construir una réplica en forma de abanico 'pluma' el uso de fibras muy finas de poliimida de alta presión. 'La estructura de la pluma del pingüino es demasiado complicado para copiar por completo ", dice Wang. "Elegimos a centrarse en la estructura principal de las fibras nanométricas y las distancias a microescala [entre ellos]."Cuando se llevaron a cabo pruebas similares en la superficie de poliimida, encontraron que era menos icephobic de plumas reales. Pero el icephobicity podría ser alterada mediante el ajuste de la separación entre las fibras. 'Si la distancia entre las nanoestructuras infundido con aire es lo suficientemente alta, la fuerza de adhesión entre el hielo y superficies resistentes al hielo puede reducirse, [y] la réplica logra un buen icephobicity ", dice Wang. Cuando los espacios entre las fibras eran mayor que el diámetro de las gotitas de la superficie podría ser rociado con agua sobreenfriado a -5 ° C durante horas sin la formación de hielo.El equipo espera sus observaciones podrían ser útiles para el diseño de nuevos materiales que son resistentes a hielo, tales como los aisladores utilizados para cables eléctricos.Neil Shirtcliffe, que trabaja en superficies superhydrophobic en la Universidad de Renania-Waal de Ciencias Aplicadas en Alemania dice que los resultados son interesantes porque no ha habido 'sorprendentemente poco' trabajo en las plumas del pingüino y hielo. "Las conclusiones parecen estar de acuerdo con muchos otros, que las superficies resistentes al hielo se pueden fabricar utilizando rugosidad, pero se necesita que más que para superhydrophobicity», comentó. 'Tenemos muchas formas de producir y organizar fibras de polímero, así que esto podría ayudar a reducir el costo de recubrimientos resistentes al hielo ", dice, añadiendo que el diseño de la pluma inspirada probablemente tendría que ser optimizado aún más, como' pingüinos tienen diferentes necesidades ambientales exigencias que una tormenta típica la formación de hielo que podría golpear a un avión o un puente '.
