Las biomacromoléculas incorporadas en estructuras organometálicas personalizadas mediante moduladores peptídicos están bien protegidas pero son muy activas gracias a una nanoarquitectura cuidadosamente ajustada. Como informan los científicos en la revista Angewandte Chemie , esta estrategia se puede utilizar para sintetizar una "célula artificial" que funciona como un sensor óptico de glucosa.

Biomacromoléculas, como las enzimas, controlar las reacciones en las células con una eficiencia mucho mayor, especificidad, y selectividad que en los sistemas sintéticos. Cuando se usa fuera de una celda, muchas de estas moléculas sensibles requieren una capa sintética. Las estructuras metalorgánicas (MOF) son muy adecuadas para esto. Estas estructuras en forma de jaula tienen iones metálicos como nodos, que están conectados por ligandos orgánicos. Las biomoléculas se pueden incorporar dentro de estos marcos fácilmente durante su proceso de autoensamblaje. Sin embargo, la accesibilidad limitada de las biomoléculas dentro de las cáscaras a menudo hace que la actividad de estos biohíbridos sea decepcionante.

Un equipo dirigido por Gangfeng Ouyang en la Universidad Sun Yat-sen en Guangzhou, Porcelana, ahora ha introducido una estrategia simple para adaptar dichos biohíbridos a fin de formar nanoarquitecturas con altas actividades. La clave de su éxito radica en la adición de péptidos específicos que influyen en la estructura como "moduladores".

Los investigadores optaron por trabajar con peroxidasa de rábano picante como su biomolécula modelo. Esta enzima descompone el peróxido de hidrógeno y se utiliza en la industria para la oxidación ecológica de aminas aromáticas. Los nodos en la estructura organometálica son iones de zinc, que están unidos por ligandos de 2-metilimidazol. El modulador es ácido γ-poli-L-glutámico, un biopolímero natural con múltiples cargas negativas que se une a los grupos positivos de la peroxidasa y se coordina competitivamente con los iones de zinc. El modulador y la peroxidasa son, por lo tanto, ambos incorporados en el MOF. Variar la cantidad de modulador produce diferentes morfologías, como poliedros tridimensionales, que son como pequeñas "estrellas" hechas de capas bidimensionales en forma de huso entrelazadas que tienen un grosor de aproximadamente 150 nm, o estructuras tridimensionales en forma de flor. Mientras que la actividad enzimática en las estructuras tridimensionales microporosas es baja, las enzimas en los MOF 2-D son casi tan activas como en el estado libre. Esto es el resultado de los poros grandes y los canales relativamente cortos en las estructuras 2-D, que permiten que el sustrato acceda rápidamente a la enzima. Al mismo tiempo, la enzima está bien protegida de las enzimas que degradan las proteínas, altas concentraciones de urea, temperaturas elevadas, y varios disolventes orgánicos, lo cual es ventajoso para aplicaciones industriales.

Los investigadores también pudieron construir una "célula artificial" que imita las cascadas celulares involucradas en la transducción de señales y actúa como sensor de glucosa. Para esto, incorporaron varios componentes en un MOF 2-D:glucosa oxidasa (GOx) y nanoclusters de oro fluorescentes unidos a proteínas que descomponen el peróxido de hidrógeno catalíticamente. La adición de glucosa inicia la cascada. La glucosa es oxidada por el GOx, que forma peróxido de hidrógeno. Esto luego se convierte con un sustrato por los nanoclusters de oro, después de lo cual el sustrato se vuelve azul. En paralelo, los nanoclusters de oro se oxidan, que apaga la fluorescencia. Ambas señales ópticas son proporcionales a la concentración de glucosa y son sensibles en dos rangos de concentración complementarios.