Biomakromolekyler som ingår i skräddarsydda metallorganiska ramverk med hjälp av peptidmodulatorer är väl avskärmade men mycket aktiva tack vare noggrant avstämd nanoarkitektur. Som forskare rapporterar i tidskriften Angewandte Chemie , denna strategi kan användas för att syntetisera en "konstgjord cell" som fungerar som en optisk glukossensor.

Biomakromolekyler, såsom enzymer, kontrollera reaktioner i celler med mycket högre effektivitet, specificitet, och selektivitet än i syntetiska system. När det används utanför en cell, många av dessa känsliga molekyler kräver ett syntetiskt skal. Metall-organiska ramverk (MOF) är mycket lämpade för detta. Dessa burliknande strukturer har metalljoner som noder, som är förbundna med organiska ligander. Biomolekyler kan enkelt införlivas inom dessa ramar under deras självmonteringsprocess. Dock, den begränsade tillgängligheten för biomolekylerna i skalen gör ofta att aktiviteten hos dessa biohybrider blir en besvikelse.

Ett team ledd av Gangfeng Ouyang vid Sun Yat-sen University i Guangzhou, Kina, har nu infört en enkel strategi för att skräddarsy sådana biohybrider för att bilda nanoarkitekturer med hög aktivitet. Nyckeln till deras framgång ligger i tillägget av specifika peptider som påverkar strukturen som "modulatorer".

Forskarna valde att arbeta med pepparrotsperoxidas som modellbiomolekyl. Detta enzym bryter ner väteperoxid och används inom industrin för miljövänlig oxidation av aromatiska aminer. Noderna i det metallorganiska ramverket är zinkjoner, som är kopplade av 2-metylimidazolligander. Modulatorn är γ-poly-L-glutaminsyra, en naturlig biopolymer med flera negativa laddningar som binder till positiva grupper på peroxidaset och koordinerar konkurrenskraftigt med zinkjoner. Modulatorn och peroxidaset är, Således, båda inkorporerade i MOF. Att variera mängden modulator ger olika morfologier, såsom tredimensionella polyedrar, som är som små "stjärnor" gjorda av sammanflätade tvådimensionella spindelformade lager som är cirka 150 nm tjocka, eller tredimensionella blomliknande strukturer. Medan enzymaktiviteten i de mikroporösa 3D-strukturerna är låg, enzymerna i 2-D MOF är nästan lika aktiva som i det fria tillståndet. Detta är ett resultat av de stora porerna och relativt korta kanalerna i 2D-strukturerna, vilket gör att substratet snabbt kommer åt enzymet. På samma gång, enzymet är väl skyddat från enzymer som bryter ned proteiner, höga koncentrationer av urea, förhöjda temperaturer, och ett antal organiska lösningsmedel, vilket är fördelaktigt för industriella tillämpningar.

Forskarna kunde också bygga en "konstgjord cell" som efterliknar de cellulära kaskaderna som är involverade i signaltransduktion och fungerar som en glukossensor. För detta, de inkorporerade flera komponenter i en 2-D MOF:glukosoxidas (GOx) och proteinbundna fluorescerande guldnanokluster som bryter ner väteperoxid katalytiskt. Tillsats av glukos initierar kaskaden. Glukosen oxideras av GOx, som bildar väteperoxid. Detta omvandlas sedan med ett substrat av guld nanokluster, varpå substratet blir blått. Parallellt, guldnanoklustren oxideras, som släcker fluorescensen. Båda optiska signalerna är proportionella mot glukoskoncentrationen och är känsliga i två komplementära koncentrationsintervall.