Usando moléculas de ADN como un andamio arquitectónico, Científicos de la Universidad Estatal de Arizona, en colaboración con colegas de la Universidad de Michigan, han desarrollado una cascada de enzimas artificiales en 3-D que imita una importante vía bioquímica que podría resultar importante para futuras aplicaciones biomédicas y energéticas.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Nanotecnología de la naturaleza . Dirigido por el profesor de ASU Hao Yan, el equipo de investigación incluyó a los investigadores del Instituto de Biodesign ASU, Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, El profesor Yan Liu y el profesor Neal Woodbury junto con sus colegas, el profesor Nils Walter y el becario postdoctoral Alexander Johnson-Buck de la Universidad de Michigan.

Investigadores en el campo de la nanotecnología del ADN, aprovechando las propiedades de unión de los componentes químicos del ADN, torcer y autoensamblar el ADN en estructuras bidimensionales y tridimensionales cada vez más imaginativas para fines médicos, Aplicaciones electrónicas y energéticas.

En el último avance, el equipo de investigación asumió el desafío de imitar enzimas fuera de los confines amistosos de la célula. Estas enzimas aceleran las reacciones químicas, utilizado en nuestro cuerpo para la digestión de los alimentos en azúcares y energía durante el metabolismo humano, por ejemplo.

"Buscamos inspiración en la naturaleza para construir sistemas moleculares artificiales que imiten las sofisticadas maquinarias a nanoescala desarrolladas en sistemas biológicos vivos". y diseñamos racionalmente nanoandamios moleculares para lograr biomimetismo a nivel molecular, "Yan dijo, quien ocupa la Cátedra Milton Glick en el Departamento de Química y Bioquímica de ASU y dirige el Centro de Diseño Molecular y Biomimetismo en el Instituto Biodesign.

Con enzimas Todas las partes móviles deben estar estrechamente controladas y coordinadas. de lo contrario, la reacción no funcionará. Las partes móviles, que incluyen moléculas como sustratos y cofactores, todos caben en un bolsillo complejo de enzimas como una pelota de béisbol en un guante. Una vez que todas las partes químicas hayan encontrado su lugar en el bolsillo, las energéticas que controlan la reacción se vuelven favorables, y hacer que la química suceda rápidamente. Cada enzima libera su producto, como un testigo entregado en una carrera de relevos, a otra enzima para llevar a cabo el siguiente paso en una vía bioquímica en el cuerpo humano.

Para el nuevo estudio, los investigadores eligieron un par de enzimas universales, glucosa-6 fosfato deshidrogenasa (G6pDH) y malato deshidrogenasa (MDH), que son importantes para la biosíntesis:hacer los aminoácidos, grasas y ácidos nucleicos esenciales para toda la vida. Por ejemplo, los defectos que se encuentran en la vía causan anemia en los seres humanos. "Las enzimas deshidrogenasas son particularmente importantes ya que suministran la mayor parte de la energía de una célula", dijo Walter. "Trabajar con estas enzimas podría conducir a futuras aplicaciones en la producción de energía verde, como las pilas de combustible que utilizan biomateriales como combustible".

En el camino G6pDH utiliza el sustrato de azúcar de glucosa y un cofactor llamado NAD para eliminar los átomos de hidrógeno de la glucosa y transferirlos a la siguiente enzima. MDH, continuar y producir ácido málico y generar NADH en el proceso, que se utiliza como cofactor clave para la biosíntesis.

Rehacer este par de enzimas en el tubo de ensayo y hacer que funcione fuera de la célula es un gran desafío para la nanotecnología del ADN.

Para afrontar el desafío, Primero hicieron un andamio de ADN que parece varios rollos de toallas de papel pegados entre sí. Usando un programa de computadora, pudieron personalizar los componentes químicos de la secuencia de ADN para que el andamio se autoensamblara. Próximo, las dos enzimas se unieron a los extremos de los tubos de ADN.

En medio del andamio de ADN, colocaron una sola hebra de ADN, con el NAD + atado al final como una bola y una cuerda. Yan se refiere a esto como un brazo oscilante, que es largo, lo suficientemente flexible y diestro como para oscilar entre las enzimas.

Una vez que el sistema se hizo en un tubo de ensayo calentando y enfriando el ADN, que conduce al autoensamblaje, se agregaron las partes de la enzima. Confirmaron la estructura usando un microscopio de alta potencia, llamado AFM, que puede ver hasta la nanoescala, 1, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

Como arquitectos, los científicos primero construyeron un modelo a gran escala para poder probar y medir la geometría espacial y las estructuras, incluyendo en su configuración un pequeño tinte fluorescente unido al brazo oscilante. Si la reacción tiene lugar, pueden medir una señal de baliza roja que emite el tinte, pero en este caso, a diferencia de una señal de tráfico, una luz roja significa que la reacción funciona.

Próximo, probaron el sistema enzimático y descubrieron que funcionaba igual que una cascada enzimática celular. También midieron el efecto al variar la distancia entre el brazo oscilante y las enzimas. Encontraron que había un punto dulce a 7 nm, donde el ángulo del brazo era paralelo al par de enzimas.

Con un solo brazo oscilante en el sistema de tubos de ensayo que funciona como las enzimas celulares, decidieron agregar armas, probando los límites del sistema con hasta 4 brazos agregados. Pudieron demostrar que a medida que se agregaba cada brazo, el G6pDH podría mantenerse al día para hacer aún más producto, mientras que el MDH había llegado al máximo después de solo dos brazos oscilantes. "Alinear enzimas a lo largo de una línea de ensamblaje diseñada como lo hizo Henry Ford para las autopartes es particularmente satisfactorio para alguien que vive cerca de la ciudad del motor Detroit, dijo Walter.

El trabajo también abre un futuro brillante en el que las vías bioquímicas se pueden replicar fuera de la célula para desarrollar aplicaciones biomédicas, como métodos de detección para plataformas de diagnóstico.

"Un objetivo aún más elevado y valioso es diseñar rutas enzimáticas en cascada altamente programadas en plataformas de nanoestructura de ADN con control de secuencias de entrada y salida. Alcanzar este objetivo no solo permitiría a los investigadores imitar las elegantes cascadas de enzimas que se encuentran en la naturaleza e intentar comprender su mecanismos de acción subyacentes, pero facilitaría la construcción de cascadas artificiales que no existen en la naturaleza, "dijo Yan.