När friflytande enzymer färdas mitt i ett hav av polymerer, ett Northwestern Engineering-team har funnit att dessa enzymer föredrar att förena vissa polymersekvenser framför andra, en upptäckt som kan leda till tillämpningar inom en mängd olika områden, allt från kärnavfallsbearbetning till läkemedelsleverans.
"Från alla dessa partier av slumpmässighet, vi upptäckte att varje särskilt enzym väljer en sekvens som det gillar bäst, sa Monica Olvera de la Cruz, advokaten Taylor professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering and Applied Science, som ledde studien. "Det är viktigt eftersom det belyser hur vi kan utforma sammansättningen av en sats av polymerer, så de kommer att sprida enzymer aktivt i icke-biologiska miljöer."
Författad av Olvera de la Cruz och två kollegor vid McCormicks institution för materialvetenskap och teknik – seniorforskare Trung Dac Nguyen och forskningsassistent professor Baofu Qiao – studien, med titeln "Effektiv inkapsling av proteiner med slumpmässiga sampolymerer, " publiceras idag, 11 juni, i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Enzymer spelar en viktig roll i en rad kemiska och biologiska processer genom att underlätta och styra biokemiska reaktioner. På grund av den begränsade lösligheten av vissa substrat i vatten, Att bevara och/eller förbättra den katalytiska förmågan hos vissa enzymer i icke-vattenhaltiga lösningar är av ökande efterfrågan. Dock, de flesta enzymer förlorar snabbt sin kemiska aktivitet när de utsätts för icke-biologiska miljöer, inklusive organiska lösningsmedel som toluen och tetrahydrofuran. Även om många enzymstabiliseringsstrategier har använts såsom omvänd manipulering av enzymsekvenser, dekorera enzymer med ytaktiva ämnen, eller modifiera lösningsmedlen, de flesta av dem är antingen begränsade till specifika enzymer och lösningsmedel eller kostnadsineffektiva.
Utför datorsimuleringar på Quest, Northwesterns kraftfulla beräkningsanläggning, forskarna undersökte:nyckelfaktorerna som bestämde täckningen av de slumpmässiga sampolymererna med olika typer av enzymer i ett givet lösningsmedel; hur enzymerna valde de slumpmässiga sampolymererna för att skydda sig mot ogynnsamma lösningsmedel; och förhållandet mellan enzymytegenskaperna och polymeregenskaperna.
"Vi fann att enzymerna verkligen väljer vissa polymersekvenser som bäst täcker deras yta ur poolen av polymerer, ", sade Trung. "De slumpmässiga sampolymererna ger sammansättningen och sekvensdiversiteten liknande den i oordnade enzymer, vilket förklarar varför de effektivt kan täcka många enzymer i olika storlekar, form, och ytmönster."
Studien, drivs av ett anslag från det amerikanska energidepartementet och stöd från Sherman Fairchild Foundation som möjliggjorde beräkningsarbetet, framhåller att denna speciella familj av sampolymerer är ett utmärkt kandidatmaterial för att syntetisera membranlösa organeller – de mikronstora vätskedroppar inuti celler i levande organismer – såväl som för att stabilisera och leverera enzymer över flera icke-biologiska medier.
"Just nu, till exempel, forskare inom läkemedelsindustrin försöker matcha sekvenser perfekt, Olvera de la Cruz sa. "Vår upptäckt ger riktlinjer för att göra spridningen av enzymer mycket mer kostnadseffektiv och effektiv."
Olvera de la Cruz och hennes kollegor planerar nu att undersöka hur de membranlösa organellerna spontant kan bildas med dessa sampolymerer-enzymer, hur man kontrollerar deras storlekar, och hur enzymernas strukturella egenskaper kan påverkas inuti organellerna.
"Nästa steg kommer att vara att utforska möjligheterna att koncentrera olika enzymer tillsammans, vilket är mycket lovande när det gäller att förbättra deras katalytiska förmåga, att skapa nya kemikalier, såväl som vid bearbetning av industriavfall, på ett effektivt sätt, " sa Olvera de la Cruz.
