Spatiotemporal reglering av flerstegs enzymreaktioner genom kompartmentalisering är väsentlig i studier som efterliknar naturliga system som celler och organeller. Hittills har forskare använt liposomer, vesikler eller polymersomer för att fysiskt separera de olika enzymerna i fack, som fungerar som "konstgjorda organeller". Men nu har ett team under ledning av direktör KIM Kimoon vid Center for Self-assembly and Complexity inom Institute for Basic Science i Pohang, Sydkorea, framgångsrikt demonstrerat samma spatiotemporala reglering av kemiska reaktioner genom att endast använda hörbart ljud, vilket är helt annorlunda än de tidigare metoderna som nämnts ovan. Deras studie visas i Nature Communications .

Ljud används ofta inom fysik, materialvetenskap och andra områden, men har sällan använts inom kemi. I synnerhet har hörbart ljud (i intervallet 20–20 000 Hz) hittills inte använts i kemiska reaktioner på grund av dess låga energi. Men för första gången hade samma grupp från IBS tidigare framgångsrikt demonstrerat spatiotemporal reglering av kemiska reaktioner genom en selektiv upplösning av atmosfäriska gaser via stående vågor som genereras av hörbart ljud redan 2020.

Senare observerade de noggrant lösningens rörelse som inducerades av det hörbara ljudet och fann att lösningen separerades och inte blandades ihop på grund av vågens nodområde som om de olika skikten blockerades av en osynlig vägg. De kallade denna övergående domän av lösningen skapad av hörbart ljud pseudo-kompartmentalisering, och använde den för att kontrollera enzymbaserade kaskadreaktionsnätverk i en lösning. I detta fenomen blandas inte flödet av vätska som induceras i en behållare som vibrerar upp och ner av hörbart ljud med varandra runt noden på vågen, och som sådan blir lösningen naturligt uppdelad i fack.

Denna nya upptäckt inspirerade gruppen att använda detta fenomen för att försöka spatiotemporal reglering av flerstegs enzymreaktioner. Normalt kräver detta att konstgjorda fack skapas med hjälp av lipider eller polymerer används vanligtvis, men Kims grupp visade att det kan vara möjligt med endast hörbart ljud. För att uppnå detta designade de ett smart system genom att dra fördel av det faktum att syre i luften löses endast i antinodområdet av den vibrerande lösningen (Figur 1).

För att testa detta system utförde Kims grupp en enzymreaktion i flera steg bestående av glukosoxidas (GOx) och pepparrotsperoxidas (HRP). I det första steget katalyserar enzymet GOx oxidationen av glukos och producerar väteperoxid. Denna peroxid används sedan av enzymet HRP för att driva det andra steget, vilket innebär oxidation av färglöst ABTS-färgämne till cyanfärgad ABTS-radikal. Forskarna skulle veta att deras system fungerade som avsett om den cyanfärgade färgen dök upp i specifika områden i lösningen.

Som förväntat kunde författarna visuellt observera cyanfärgade koncentriska ringmönster, vilket bekräftade att de lyckades med spatiotemporal kontroll av GOx-HRP-kaskadreaktionen med endast hörbart ljud (Figur 2). Författarna visade vidare att denna metod kan utökas för att kontrollera den redoxdrivna in situ-tillväxten eller pH-känsliga självmontering av nanopartiklar inom spatiotemporala domäner som finns i lösningen. (Figur 3A). Dessutom presenterade författarna också beredningen av nanopartikelmönstrade hydrogeler, som innehöll självmonterade partiklar endast i utvalda regioner. Dessa geler kan användas i regionspecifika celltillväxtplattformar (Figur 3B).

"Detta nya tillvägagångssätt som använder hörbart ljud kommer att ge en helt ny och pålitlig strategi för att kontrollera kemiska processer inom förutsägbara men övergående genererade pseudo-avdelningar i en lösning", förklarar direktör Kim. + Utforska vidare

Se kemiska reaktioner med musik