Eftersom vaccinationer mot COVID-19 är på god väg, människor väntar på att återgå till det normala livet. Dock, rädslan växer också på grund av oförutsedda biverkningar som den sällsynta trombosen. I kroppen, liv upprätthålls genom förflyttning av ämnen eller energi. Kemiska reaktioner regleras av närvaron av organeller, eller cellstrukturer, som rymmer specifika enzymer eller kofaktorer. En nanoreaktor med både aktiviteten hos en syntetisk katalysator, såsom en artificiell organell som efterliknar en cell, och egenskaperna hos ett enzym, skapar en plattform för selektiv syntetisering av naturliga enantiomera bioaktiva molekyler som kan reagera på patogener i kroppen. Dock, tills nu, en nanoreaktor med funktionerna hos både en syntetisk katalysator och ett enzym för en sådan plattform har inte rapporterats.

För detta ändamål, ett forskargrupp vid POSTECH har nyligen syntetiserat en kemo-enzymatisk nanostruktur som selektivt kan syntetisera en enantiomer samtidigt som den fungerar som en artificiell organell i cellen.

Ett forskargrupp ledd av professor In Su Lee, Forskningsprofessor Amit Kumar, och Ph.D. kandidat Seonock Kim vid POSTECHs kemiska institution har lyckats designa en kiseldioxid nanostruktur (SiJAR) som en artificiell organell för selektiv syntes av enantiomerer i celler. Detta forskningsresultat valdes som framsidan av Angewandte Chemie , och publicerad online den 21 juni, 2021.

Den första övervägningen vid utformning av nanostrukturer för intracellulära applikationer är att stabilt samlokalisera och bibehålla den reaktiva ytan av katalytiska nanokristaller samtidigt som enzymet skyddas från inaktivering. Tills nu, katalys av naturinspirerade ihåliga nanostrukturer som rymmer katalytiska nanokristaller eller enzymer, eller båda, har bara bevisats experimentellt och inte påvisats hos levande organismer. Detta beror på att mikroporösa slutna nanostrukturer begränsar inträde och samlokalisering av katalytiska nanokristaller och stora biomolekyler.

Forskargruppen syntetiserade runda burkformade SiJAR med kemoresponsiva metallsilikatlock genom att modifiera den kemiska sammansättningen av en sektion i reaktorn med hjälp av spatiotemporal kontrollerad termisk omvandlingskemi. På grund av den delade konfigurationen av SiJAR, olika katalytiska ädelmetaller (Pt, Pd, Ru) modifierades selektivt på lock-sektionen genom galvaniska reaktioner. Senare, locket öppnades under milda sura förhållanden eller en intracellulär miljö, skapa en bred passage in i skalet samtidigt som lockets kvarvarande metallkatalysator flyttas inåt. Denna öppna struktur rymmer stora enzymer, vilket underlättar inkapsling.

Nanoreaktorn som syntetiseras i denna studie består av kiseldioxid med hög biokompatibilitet och genom att skydda katalytiska nanokristaller eller stora biomolekyler i ett öppet kiseldioxidfack, den utförde asymmetrisk aldolreaktion med hög enantioselektivitet via en enzym-metall kooperativ övergångsstatusstabilisering. Dessutom, forskarna bekräftade att det fungerar som en artificiell katalytisk organell genom att stabilt utföra reaktionen inuti levande celler.

Den hybrid kemoenzymatiska nanodelenheten, anpassningsbar genom denna sofistikerade solid state-konverteringsstrategi, har en struktur och funktion som liknar intracellulära organeller, och kan användas för syntetisering av aktiva terapier och bioavbildningssonder lokalt inuti celler för att vara lämpliga för användning vid nästa generations bioavbildning och behandling.

"Med resultaten av denna forskning med hjälp av de unika Nanospace-Confined Chemical Reactions (NCCR), vi ser fram emot att utveckla tekniken som artificiellt reglerar cellfunktioner, "kommenterade professor In Su Lee som ledde studien.