Автор AZoNano 9 марта 2021

Исследователи UAB разработали минималистские биоструктуры, имитирующие природные ферменты, способные выполнять две дифференцированные и обратимо регулируемые активности благодаря уникальной комбинации структурных и функциональных свойств. Используемая стратегия открывает двери для создания «интеллектуальных» наноматериалов с индивидуализированными комбинациями каталитических функций.

Растет интерес к синтетическим системам, которые могут выполнять химические реакции, инициированные биологическим путем, не требуя сложных структур, характеризующих ферменты в их компонентах. Один из наиболее исследуемых подходов – это самосборка пептидов – молекул, меньших, чем белки, – благодаря их биосовместимости и способам управления их структурными и функциональными свойствами.

Исследователи из Института биотехнологии и биомедицины Автономного университета Барселоны (IBB-UAB) недавно разработали одну из самых маленьких миметических ферментных структур. Эти пептиды состоят из 7–9 аминокислот, которые спонтанно самоорганизуются с образованием стабильных амилоидных волокон и твердых гидрогелей, безвредных для клеток.

Пептиды состоят только из двух типов водорастворимых аминокислот (тирозина и гистидина), двоичного кода, содержащего всю информацию, необходимую для формирования наноструктур. Кроме того, они обратимы и могут выполнять две дифференцированные и не связанные друг с другом каталитические активности.

Исследователям удалось создать более простую систему, способную лучше контролировать ферментативную активность, и впервые структуру, в которой те же самые аминокислоты, обеспечивающие каталитическую активность, также вносят вклад в формирование макромолекулярной архитектуры. В предыдущих исследованиях эти возможности были разделены в разных областях молекулы, что привело к получению более длинных пептидов и / или пептидов с единственной функцией.

«Суть вопроса в том, что каталитическая активность волокон и гидрогелей может быть достигнута только тогда, когда пептиды самоорганизуются», объясняет Сальвадор Вентура, координатор исследования. « Стратегия, которую мы использовали, закладывает основы для создания« интеллектуальных »наноструктурных материалов с индивидуально подобранными комбинациями каталитических функций для ряда практических применений».

Уникальные свойства

До сих пор большинству разработанных минималистичных пептидов не хватало одной из важнейших возможностей природных ферментов: способности обратимо регулировать их активность. В этом исследовании исследователям удалось контролировать способность к сборке, и это позволяет чередовать активные и неактивные формы с простыми изменениями pH.

Кроме того, новые пептиды обладают свойствами, которых нет у природных ферментов, поскольку они обладают только каталитической активностью. Теперь пептиды включают два разных типа активности (гидролитическую и электрокаталитическую), которые можно проводить одновременно или поочередно. В любом другом случае для этого потребовались бы два различных по структуре искусственных фермента, которые были бы в сотни раз больше и дороже.

Еще одна особенность этих новых искусственных ферментов, на которую указывают исследователи, – это спонтанность самосборки, что означает отсутствие необходимости в дополнительных химических реагентах или применении тепла, которые могут оказаться токсичными или иметь радикальные эффекты. по его структуре.

Повышение эффективности и экономии

Гидрогели и амилоидоподобные волокна позволяют создавать прочные, более эффективные и экономичные микрореакторы, в которых конечный продукт реакции можно легко отделить от искусственного фермента.

«Макромолекулярные структуры, которые нам удалось создать, могут иметь важное применение в микрофлюидике, а также в доставке лекарств, поскольку они могут инкапсулировать лекарство в собранном состоянии и высвобождать его определенным образом, как только правильная клетка контекст достигается простой разборкой », подчеркивает Сальвадор Вентура.

Сальвадор Вентура возглавляет группу по заболеваниям сворачивания белков и конформационным заболеваниям в IBB. «Мы начали нанотехнологические исследования всего три года назад, но наши знания о молекулярном механизме сборки белков в амилоидные структуры помогли нам разработать новые функциональные синтетические наноматериалы со свойствами, которые не могут быть достигнуты с помощью природных пептидов или белков» , он заявляет.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале ACS Catalysis участвовали исследователи из IBB и отделов химии и биохимии UAB, а также из молекулярной биологии (Salvador Ventura, Marta Díaz-Caballero , Сусанна Наварро, Мариона Содупе и Луис Родригес-Сантьяго); от Института материаловедения Барселоны (ICMAB-CSIC) (Франческ Тейксидор и Микель Нуэс-Мартинес) и от Центра совместных исследований в области биологических наук (CIC bioGUNE) (Франческа Пеккати).

Источник: https://www.uab.cat/en/