En studie av forskare vid Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC), Universidad Complutense (UCM), Universidad de Girona (UdG), och Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), arbeta tillsammans med andra internationella centra, har övervunnit ett av de viktigaste hindren för användningen av nanorobotar som drivs av lipaser, enzymer som spelar viktiga roller i matsmältningen genom att bryta ner fetter i livsmedel så att de kan absorberas.

Studien koordinerades av Marco Filice från CNIC Microscopy and Dynamic Imaging Unit—en del av ReDIB Infraestructura Científico Técnica Singular (ICTS)—professor vid Pharmacy Faculty (UCM) och ICREA Research Professor Samuel Sánchez från IBEC. Artikeln, publiceras i tidskriften Angewandte Chemie International Edition , beskriver ett verktyg för att modulera motorer som drivs av enzymer, bredda deras potentiella biomedicinska och miljömässiga tillämpningar.

Mikroorganismer kan simma genom komplexa miljöer, svara på sin omgivning, och organisera sig självständigt. Inspirerad av dessa förmågor, under de senaste 20 åren har forskare lyckats artificiellt replikera dessa små simmare, först på makro-mikroskalan och sedan på nanoskalan, hitta tillämpningar inom miljösanering och biomedicin.

"Farten, bärförmåga, och enkel ytfunktionalisering av mikro- och nanomotorer har sett nya forskningsframsteg omvandla dessa enheter till lovande instrument för att lösa många biomedicinska problem. Dock, en viktig utmaning för den bredare användningen av dessa nanorobotar är att välja en lämplig motor för att driva dem, " förklarade Sánchez.

Under de senaste 5 åren, IBEC-gruppen har banat väg för användningen av enzymer för att generera drivkraften för nanomotorer. "Biokatalytiska nanomotorer använder biologiska enzymer för att omvandla kemisk energi till mekanisk kraft, och detta tillvägagångssätt har väckt stort intresse inom området, med ureas, katalas, och glukosoxidas bland de vanligaste alternativen för att driva dessa små motorer, sa Sánchez.

CNIC-gruppen är ledande inom strukturell manipulation och immobilisering av lipasenzymer på ytan av olika nanomaterial. Lipaser utgör utmärkta nanomotoriska komponenter eftersom deras katalytiska mekanism involverar stora konformationsförändringar mellan en öppen, aktiv form och en sluten,

"I detta projekt, vi undersökte effekten av att modulera den katalytiska aktiviteten av lipasenzymer för att driva kiselbaserade nanopartiklar, " förklarade Filice.

Förutom den 3-dimensionella konformationen av enzymet, teamet undersökte också hur kontroll av enzymets orientering under dess immobilisering på den nanomotoriska ytan påverkar dess katalytiska aktivitet och därför framdrivningen av nanorobotarna.

Forskarna modifierade kemiskt ytan av kiselnanopartiklar för att generera tre specifika kombinationer av lipaskonformationer och orienteringar under immobilisering:1) öppen konformation plus kontrollerad orientering; 2) sluten konformation plus okontrollerad orientering; 3) en situation mellan 1 och 2.

Teamet analyserade de tre typerna av nanorobotar med spektroskopiska tekniker, analyser för att bedöma katalytiska parametrar relaterade till enzymaktivitet, Dynamiska molekylära simuleringar (utförde av professor Silvia Osunas team vid UdG), och direkt spårning av individuella nanomotoriska banor genom mikroskopitekniker. "Resultaten visar att kombinationen av en öppen enzymkonformation med en specifik orientering på nanomotorn är avgörande för att uppnå kontrollerad framdrivning."