Mitt i djurparken med biomolekyler som är viktiga för livet, enzymer är bland de viktigaste. Utan dessa specialiserade proteiner, som påskyndar hastigheterna på kemiska reaktioner, tusentals viktiga livsprocesser, från celltillväxt och matsmältning till andning och nervfunktion, skulle vara omöjligt.

I ny forskning, Stuart Lindsay och hans kollegor undersöker en nyligen upptäckt bedrift utförd av enzymer, och troligtvis, alla proteiner. Under korrekta förhållanden, de kan fungera som utmärkta ledare för elektricitet, så att de kan införlivas i en rad elektroniska enheter. "Det är ett sätt att ansluta den fantastiska kemiska mångfalden av enzymer direkt till en dator, "Säger Lindsay.

Medan proteinkonduktansens roll i naturen fortfarande är en fråga om mystik och spekulation, att utnyttja detta fenomen för mänskligt bruk kommer sannolikt att öppna nya vägar för biokemiska avkänningsanordningar, smart industriproduktion och nya innovationer inom medicinsk diagnostik.

Kanske mest spännande, elektrisk konduktans genom en speciell typ av enzym kan signalera ett betydande framsteg för DNA -sekvensering. Med hjälp av ett DNA -polymeras, naturens egen högupplösta DNA-läsare, i en sådan enhet kan möjligen möjliggöra blixtsnabb sekvensering av hela mänskliga genomer med en aldrig tidigare skådad noggrannhet till mycket låg kostnad. Den nya studien "öppnar Pandoras låda med att titta på vilket enzym som helst i ett datorchip."

Aktuella frågor

Författare till den nya studien beskriver de knep de använde för att fästa ett DNA -polymeras på ett par elektroder och de resulterande strömspikarna associerade med enzymet som successivt binder och släpper ut mål -DNA -nukleotider. Den framgångsrika demonstrationen av enzymkonduktans banar väg för att så småningom montera matriser av proteiner på datorchips, där de kan fungera som biologiska parallella processorer för en mängd olika uppgifter.

"Enzymer är otroliga molekyler som utför kemiska reaktioner som bara inte skulle hända annars, "Säger Lindsay. För att ge en känsla av kraften hos dessa molekyler, vissa reaktioner viktiga för livsprocesser, utspelar sig tusentals gånger per sekund, skulle kräva årtusenden för att inträffa i frånvaro av enzymer.

Lindsay leder Biosedign Center for Single Molecule Biophysics vid Arizona State University. Centrets primära forskning fokuserar på vetenskap i samband med molekylärmedicin och nanoteknik.

Hans grupps resultat visas i den kommande upplagan av tidningen ACS Nano .

Proteiner som ledare

Tills nyligen, proteiner betraktades strikt som isolatorer av elektrisk strömflöde. Nu, det verkar, deras ovanliga fysiska egenskaper kan leda till ett tillstånd där de är känsligt inställda mellan en isolator och en ledare. (Ett fenomen som kallas kvantkritik kan vara kärnan i deras speciella beteende.)

Verkligen, i tidigare forskning, Lindsay visade stark elektrisk konduktans genom ett protein fångat mellan ett par elektroder. Den nya forskningen leder undersökningarna av proteinkonduktans ett steg längre. Tidigare, proteinet kopplades upp via sina två så kallade aktiva platser. Detta är regionerna i ett protein som binder utvalda molekyler, resulterar ofta i en konformationsförändring i molekylens komplexa 3D-struktur och slutförandet av proteinets givna uppgift.

Den här gången, biomolekylen var känsligt ansluten till elektroderna med hjälp av alternativa bindningsställen på enzymet, lämnar de aktiva platserna tillgängliga för att binda molekyler och utföra naturlig proteinfunktion.

Naturens Kindle

Enzymmolekylen som valts för experimenten är en av de viktigaste för livet. Känt som ett DNA -polymeras, detta enzym binder med successiva nukleotider i en DNA -längd och genererar en gratis kedja av nukleotider, en och en. Denna mångsidiga nanomaskin används i levande system för att kopiera DNA under cellreplikation samt för att reparera avbrott eller andra förolämpningar av DNA.

Studien beskriver tekniker för att fästa DNA -polymeraset på elektroder för att generera starka konduktanssignaler med hjälp av två specialiserade bindningskemikalier som kallas biotin och streptavidin. När en elektrod funktionaliserades med denna teknik, små konduktanspikar genererades när DNA -polymeraset successivt band och släppte varje nukleotid, som en greppande hand som fångar och släpper en baseboll. När båda elektroderna utrustades med streptavidin och biotin, mycket starkare konduktanssignaler, mäter 3-5 gånger så stor, observerades.

Idén för att utnyttja ett polymeras för att utföra snabb DNA -sekvensering har funnits hos Lindsay ett tag. Han hade övervägt att använda den i tidigare enheter han skapade där delar av DNA matades genom smala tunnelkorsningar. "Skulle det inte vara snyggt om du kunde sätta ett par elektroder inuti polymeraser eftersom polymeraset tar tag i DNA:n och tuggar det genom korsningen. Om du hade en avläsningsmekanism inbäddad i polymeraset, du har den perfekta sekvenseringsmaskinen. "

Den nya metoden hoppas kunna ta ett annat tillvägagångssätt, med hjälp av polymeras egen hastighetsavläsningsexpertis för att tillhandahålla en avläsning av nukleotider genom konduktanspikar specifika för var och en av de 4 DNA-baserna. I praktiken, ett antal designhinder måste övervinnas. Korrekt fastsättning av polymeraset för elektrisk konduktans är en känslig affär och involverade mycket försök och fel. Bindningsställen måste konstrueras på specifika domäner som inte påverkar proteinvikning och funktion och anslutningar måste utformas för att förhindra att enzymet själv kommer i kontakt med elektroderna. Användningen av biotin för bindning av molekylen verkar också vara kritisk för hög konduktans. Biotin som binder en ficka av streptavidinet verkar hjälpa till att driva elektrontransport djupt in i proteinets inre, därigenom maximerar konduktansen.

Att separera konduktanssignaler som registrerar varje efterföljande DNA -bas från bakgrundsljud och slumpmässiga rörelser hos kontaktpunkterna för enzymet har också visat sig vara utmanande och sofistikerade maskininlärningsalgoritmer genomförs för att klargöra konduktansavläsningarna. Lindsay tror att många av dessa bullerproblem kommer att lösas när polymeraserna införlivas i ordentligt isolerade och förseglade chips som håller enzymet stadigt på plats.

Enzymgränser

Det första fullständiga mänskliga genomet var en milstolpe för vetenskap och medicin. Den herkuliska insatsen av Human Genome Project krävde 13 års arbete till en kostnad av en miljard dollar. Nu kan slussarna till en ny era av proteinbioelektronik öppnas, med många överraskningar som väntar.

Om återstående tekniska hinder kan övervinnas, DNA -sekvensering skulle kunna utföras med den rasande hastigheten för ett funktionellt DNA -polymeras, eller omkring hundra nukleotider per sekund. "Om du sätter 10, 000 molekyler på ett chip - inte svårt att göra - du kommer att sekvensera ett helt genom på under en timme, "Säger Lindsay