En medio del zoológico de biomoléculas esenciales para la vida, las enzimas se encuentran entre las más vitales. Sin estas proteínas especializadas, que aceleran la velocidad de las reacciones químicas, miles de procesos vitales esenciales, desde el crecimiento celular y la digestión hasta la respiración y la función nerviosa, sería imposible.

En una nueva investigación, Stuart Lindsay y sus colegas investigan una hazaña recientemente descubierta llevada a cabo por enzimas, y muy probablemente, todas las proteínas. En condiciones adecuadas, pueden actuar como excelentes conductores de electricidad, permitiendo que se incorporen en una gama de dispositivos electrónicos. "Es una forma de conectar la asombrosa diversidad química de las enzimas directamente a una computadora, "Dice Lindsay.

Si bien el papel de la conductancia de las proteínas en la naturaleza sigue siendo un tema de misterio y especulación, Aprovechar este fenómeno para uso humano probablemente abrirá nuevas vías para los dispositivos de detección bioquímica, producción industrial inteligente y nuevas innovaciones en diagnóstico médico.

Quizás lo más emocionante La conductancia eléctrica a través de un tipo especial de enzima puede indicar un avance significativo para la secuenciación del ADN. Usando una ADN polimerasa, el propio lector de ADN de alta resolución de la naturaleza, en un dispositivo de este tipo podría potencialmente permitir la secuenciación ultrarrápida de genomas humanos completos con una precisión sin precedentes a un costo muy bajo. El nuevo estudio "abre la caja de Pandora de observar la función de cualquier enzima en un chip de computadora".

Actualidad

Los autores del nuevo estudio describen los trucos que utilizaron para fijar una ADN polimerasa a un par de electrodos y los picos de corriente resultantes asociados con la enzima que se une y libera sucesivamente los nucleótidos del ADN diana. La demostración exitosa de la conductancia enzimática allana el camino para eventualmente montar matrices de proteínas en chips de computadora, donde pueden actuar como procesadores biológicos paralelos para una variedad de tareas.

"Las enzimas son moléculas increíbles que llevan a cabo reacciones químicas que no ocurrirían de otra manera, "Dice Lindsay. Para dar una idea del poder de estas moléculas, ciertas reacciones esenciales para los procesos de la vida, desplegándose miles de veces por segundo, Requeriría milenios para ocurrir en ausencia de enzimas.

Lindsay dirige el Centro Biosedign de Biofísica de Moléculas Únicas en la Universidad Estatal de Arizona. La investigación principal del centro se centra en la ciencia en el nexo de la medicina molecular y la nanotecnología.

Los hallazgos de su grupo aparecen en la próxima edición de la revista. ACS Nano .

Proteínas como conductores

Hasta hace muy poco, las proteínas se consideraban estrictamente como aislantes del flujo de corriente eléctrica. Ahora, parece, sus propiedades físicas inusuales pueden conducir a una condición en la que estén sensiblemente colocados entre un aislante y un conductor. (Un fenómeno conocido como criticidad cuántica puede estar en el corazón de su comportamiento peculiar).

En efecto, en investigaciones anteriores, Lindsay demostró una fuerte conductancia eléctrica a través de una proteína capturada entre un par de electrodos. La nueva investigación lleva las investigaciones de la conductancia de proteínas un paso más allá. Previamente, la proteína se conectó a través de sus dos llamados sitios activos. Estas son las regiones de una proteína que se unen a moléculas seleccionadas, a menudo resulta en un cambio conformacional en la compleja estructura tridimensional de la molécula y la finalización de la tarea dada a la proteína.

Esta vez, la biomolécula se conectó sensiblemente a los electrodos por medio de sitios de unión alternativos en la enzima, dejando los sitios activos disponibles para unir moléculas y llevar a cabo la función proteica natural.

Kindle de la naturaleza

La molécula de enzima elegida para los experimentos es una de las más importantes para la vida. Conocida como ADN polimerasa, esta enzima se une con nucleótidos sucesivos en una longitud de ADN y genera una cadena complementaria de nucleótidos, uno a uno. Esta versátil nanomáquina se utiliza en sistemas vivos para copiar ADN durante la replicación celular, así como para reparar roturas u otras agresiones al ADN.

El estudio describe técnicas para fijar la ADN polimerasa a electrodos para generar fuertes señales de conductancia por medio de dos sustancias químicas de unión especializadas conocidas como biotina y estreptavidina. Cuando se funcionalizó un electrodo utilizando esta técnica, Se generaron pequeños picos de conductancia cuando la ADN polimerasa se unió y liberó sucesivamente cada nucleótido, como una mano que agarra y suelta una pelota de béisbol. Cuando ambos electrodos se equiparon con estreptavidina y biotina, señales de conductancia mucho más fuertes, midiendo 3-5 veces más grande, fueron observados.

La idea de aprovechar una polimerasa para llevar a cabo una secuenciación rápida del ADN ha estado con Lindsay por un tiempo. Había considerado usarlo en dispositivos anteriores que creó en los que se alimentaban secciones de ADN a través de uniones estrechas en túnel. "¿No sería estupendo si pudieras poner un par de electrodos dentro de las polimerasas porque la polimerasa agarra el ADN y lo traga a través de la unión? Si tuvieras un mecanismo de lectura incrustado en la polimerasa, tienes la máquina de secuenciación ideal ".

El nuevo método espera adoptar un enfoque diferente, utilizando la propia experiencia en lectura rápida de la polimerasa para proporcionar una lectura de nucleótidos a través de picos de conductancia específicos para cada una de las 4 bases de ADN. En la práctica, Deben superarse varios obstáculos de diseño. La unión adecuada de la polimerasa para la conductancia eléctrica es un asunto delicado e implica mucho ensayo y error. Los sitios de unión deben diseñarse en dominios específicos que no afecten el plegamiento y la función de las proteínas, y las conexiones deben diseñarse para evitar que la propia enzima entre en contacto con los electrodos. El uso de biotina para unir la molécula también parece ser crítico para una alta conductancia. La biotina que se une a una bolsa de estreptavidina parece ayudar a impulsar el transporte de electrones hacia el interior de la proteína. maximizando así la conductancia.

La separación de las señales de conductancia que registran cada base de ADN sucesiva del ruido de fondo y los movimientos aleatorios de los puntos de contacto de la enzima también ha demostrado ser un desafío y se están aplicando sofisticados algoritmos de aprendizaje automático para aclarar las lecturas de conductancia. Lindsay cree que muchos de estos problemas de ruido se resolverán cuando las polimerasas se incorporen en chips debidamente aislados y sellados que mantengan la enzima rígidamente en su lugar.

Fronteras enzimáticas

El primer genoma humano completo supuso un hito para la ciencia y la medicina. El esfuerzo hercúleo del Proyecto Genoma Humano consumió 13 años de trabajo a un costo de mil millones de dólares. Ahora pueden abrirse las compuertas a una nueva era de bioelectrónica de proteínas, con muchas sorpresas probablemente en la tienda.

Si se pueden superar los obstáculos técnicos restantes, La secuenciación del ADN podría llevarse a cabo a la velocidad vertiginosa de una ADN polimerasa funcional, o alrededor de cien nucleótidos por segundo. "Si pones 10, 000 moléculas en un chip, no es algo difícil de hacer, secuenciará un genoma completo en menos de una hora, "Dice Lindsay