Forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz i Tyskland har upptäckt att molybdentrioxidnanopartiklar oxiderar sulfit till sulfat i leverceller i analogi med enzymet sulfitoxidas. De funktionaliserade molybdentrioxidnanopartiklarna kan passera cellmembranet och ackumuleras vid mitokondrierna, där de kan återvinna aktiviteten av sulfitoxidas.

Sulfitoxidas är ett molybdeninnehållande enzym som finns i mitokondrierna i lever- och njurceller, som katalyserar oxidationen av sulfit till sulfat under protein- och lipidmetabolismen och spelar därför en viktig roll i cellulära avgiftningsprocesser. Brist på funktionellt sulfitoxidas är en sällsynt men dödlig genetisk sjukdom som orsakar neurologiska störningar, utvecklingsstörd, fysiska missbildningar såväl som nedbrytning av hjärnan, som slutligen leder till för tidig död. Olika diet- eller läkemedelsbehandlingar för sulfitoxidasbrist har prövats med måttlig framgång.

Det var det faktum att molybdenoxid är inkorporerad i enzymernas aktiva plats som gav inspirationen till det tillvägagångssätt som nu tagits av teamet av forskare som arbetar under ledning av professor Wolfgang Tremel från JGU Institute of Inorganic Chemistry and Analytical Chemistry samt Dr. Dennis Strand och professor Susanne Strand vid institutionen för internmedicin vid Mainz University Medical Center. Forskarna hoppas att denna studie kan lägga grunden för en terapeutisk tillämpning av molybdentrioxidnanopartiklar och därmed nya möjligheter att behandla sulfitoxidasbrist.

Sänkta sulfitoxidasnivåer kan orsaka hälsoproblem även för i övrigt friska personer. Dessutom, sulfiter används som konserveringsmedel i mat, t.ex., i rött vin, druvjuice, eller pickles i en burk. Människor som har låga nivåer av sulfitoxidaset reagerar med symtom som trötthet, astma, blodsockerfall, eller huvudvärk.

Med sin studie går Mainz-forskarna in på ett vetenskapligt okänt territorium, eftersom det hittills bara finns ett fåtal studier av enzymatiskt aktiva nanopartiklar. "Det är verkligen häpnadsväckande, att enkla oorganiska nanopartiklar kan efterlikna en enzymatisk aktivitet, " sa Ruben Ragg, första författare till denna studie. I ett tidigare arbete hade professor Wolfgang Tremel och hans team visat att nanotrådar av vanadinoxid innehåller en enzymatiskt inducerad antifouling-aktivitet som effektivt förhindrar fartyg från att angripas av marina mikroorganismer. "Det är ett långvarigt mål för kemin att syntetisera artificiella enzymer som imiterar de väsentliga och allmänna principerna för naturliga enzymer, " tillade Tremel. Det finns växande bevis för att nanopartiklar kan fungera som enzymhärmare. Vissa nanomaterial rapporterades uppvisa enzymliknande aktiviteter, men kännetecknet för enzymkemi skulle vara att katalysera transformationer i celler i närvaro av andra konkurrerande reaktioner. Detta är svårt att uppnå, eftersom det kräver kompatibilitet med andra cellulära reaktioner som fungerar under liknande förhållanden och hastigheter. Därför, artificiella enzymer är inte bara användbara för att förstå reaktionsmekanismen för infödda enzymer utan också för framtida tillämpningar som terapeutiska medel.

På samma gång, användningen av molybdennanopartiklar skulle ha flera fördelar. "Molybdenoxidpartiklar är betydligt billigare och även mer stabila än genetiskt producerade enzymer, " tillade Dr Filipe Natalio, samarbetspartner från Martin Luther University of Halle-Wittenberg. Natalio designar nya material som kan efterlikna komplexa strukturer som finns i naturen genom att sammanföra ett brett spektrum av expertis från materialvetenskap till biologi och kemi. Nästa steg i projektet blir att testa om nanopartiklarnas enzymaktivitet kan bibehållas i levande organismer.

Forskarteamen fick stöd av ett tvärvetenskapligt anslag från JGU Center for Natural Sciences and Medicine (NMFZ) och Max Planck Graduate Center (MPGC).