Figura 1. Generación inducida por sonido audible de dominios transitorios y redes de reacción en cascada controladas espaciotemporalmente. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
La regulación espaciotemporal de las reacciones enzimáticas de varios pasos a través de la compartimentación es esencial en los estudios que imitan los sistemas naturales, como las células y los orgánulos. Hasta ahora, los científicos han utilizado liposomas, vesículas o polimerosomas para separar físicamente las diferentes enzimas en compartimentos, que funcionan como "orgánulos artificiales". Pero ahora, un equipo dirigido por el Director KIM Kimoon en el Centro de Autoensamblaje y Complejidad del Instituto de Ciencias Básicas en Pohang, Corea del Sur, demostró con éxito la misma regulación espaciotemporal de las reacciones químicas usando solo un sonido audible, que es completamente diferente de los métodos anteriores mencionados anteriormente. Su estudio aparece en Nature Communications .
El sonido se usa ampliamente en la física, la ciencia de los materiales y otros campos, pero rara vez se ha usado en la química. En particular, el sonido audible (en el rango de 20 a 20 000 Hz) no se ha utilizado hasta ahora en reacciones químicas debido a su baja energía. Sin embargo, por primera vez, el mismo grupo del IBS había demostrado previamente con éxito la regulación espaciotemporal de las reacciones químicas a través de una disolución selectiva de gases atmosféricos a través de ondas estacionarias generadas por sonido audible en 2020.
Más tarde, observaron de cerca el movimiento de la solución inducido por el sonido audible y encontraron que la solución estaba separada y no mezclada debido a la región del nodo de la onda como si las diferentes capas estuvieran bloqueadas por una pared invisible. Llamaron a este dominio transitorio de la solución creado por pseudo-compartimentación de sonido audible y lo usaron para controlar las redes de reacción en cascada basadas en enzimas en una solución. En este fenómeno, el flujo de fluido que se induce en un recipiente que vibra hacia arriba y hacia abajo por el sonido audible no se mezcla entre sí alrededor del nodo de la onda y, como tal, la solución se compartimenta naturalmente.
Figura 2. Control espaciotemporal mediado por sonido audible sobre la reacción en cascada de glucosa/GOx/HRP/ABTS. (A) Representación esquemática de la reacción en cascada de glucosa/GOx/HRP/ABTS. (B) El patrón de forma aleatoria generado sin aplicar un sonido audible (C) Cambios dependientes del tiempo de un patrón de anillos concéntricos obtenidos mediante la aplicación de una entrada de sonido audible (40 Hz). Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Este nuevo hallazgo inspiró al grupo a utilizar este fenómeno para intentar la regulación espaciotemporal de las reacciones enzimáticas de varios pasos. Normalmente, hacer esto requiere que se creen compartimentos artificiales usando lípidos o polímeros, pero el grupo de Kim demostró que esto puede ser posible usando solo un sonido audible. Para lograrlo, diseñaron un sistema inteligente aprovechando el hecho de que el oxígeno del aire se disuelve solo en la región del antinodo de la solución vibratoria (Figura 1).
Para probar este sistema, Kim's Group realizó una reacción enzimática de varios pasos compuesta por glucosa oxidasa (GOx) y peroxidasa de rábano picante (HRP). En el primer paso, la enzima GOx cataliza la oxidación de la glucosa y produce peróxido de hidrógeno. Luego, la enzima HRP utiliza este peróxido para alimentar el segundo paso, que implica la oxidación del tinte ABTS incoloro en un radical ABTS de color cian. Los investigadores sabrían que su sistema funcionó según lo previsto si el color cian apareciera en regiones específicas de la solución.
Figura 3. (A) Sonido audible y control espaciotemporal mediado por enzimas del ensamblaje de nanopartículas de oro. Se tomaron patrones concéntricos coloreados e imágenes TEM de cada región del patrón. (B) Hidrogel modelado con nanopartículas (izquierda) y su utilización para el crecimiento celular selectivo (derecha). En la imagen del microscopio fluorescente, las manchas rojas representan células HeLa en la superficie de hidrogel estampada. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Como era de esperar, los autores pudieron observar visualmente patrones de anillos concéntricos de color cian, lo que confirmó que tuvieron éxito en el control espaciotemporal de la reacción en cascada de GOx-HRP usando solo sonido audible (Figura 2). Los autores demostraron además que este método se puede ampliar para controlar el crecimiento in situ impulsado por redox o el autoensamblaje sensible al pH de nanopartículas dentro de los dominios espaciotemporales presentes en la solución. (Figura 3A). Además, los autores también presentaron la preparación de hidrogeles modelados con nanopartículas, que contenían partículas autoensambladas solo en regiones seleccionadas. Estos geles se pueden usar en plataformas de crecimiento celular específicas de la región (Figura 3B).
"Este nuevo enfoque que utiliza sonido audible proporcionará una estrategia totalmente nueva y confiable para controlar los procesos químicos dentro de pseudocompartimentos predecibles pero generados de forma transitoria dentro de una solución", explica el director Kim. Ver reacciones químicas con música
