Forskare vid UAB har designat minimalistiska biostrukturer som imiterar naturliga enzymer, kan utföra två differentierade och reversibelt reglerade aktiviteter tack vare en unik kombination av strukturella och funktionella egenskaper. Strategin som används öppnar dörren till skapandet av "intelligenta" nanomaterial med skräddarsydda kombinationer av katalytiska funktioner.

Det finns ett ökande intresse för syntetiska system som kan utföra bioinspirerade kemiska reaktioner utan att kräva de komplexa strukturer som kännetecknar enzymer i deras komponenter. Ett av de mest utforskade tillvägagångssätten är självmontering av peptider - molekyler mindre än proteiner - på grund av deras biokompatibilitet och hur deras strukturella och funktionella egenskaper kan kontrolleras.

Forskare från Institutet för bioteknik och biomedicin vid Universitat Autònoma de Barcelona (IBB-UAB) designade nyligen en av de minsta mimetiska enzymstrukturerna någonsin. Dessa peptider består av sju till nio aminosyror som spontant sätts ihop för att bilda stabila amyloidfibrer och fasta hydrogeler, ofarligt för celler.

Peptider bildas med endast två typer av vattenlösliga aminosyror (tyrosin och histidin), en binär kod som innehåller all information som behövs för att bilda nanostrukturer. Dessutom, de är reversibla och kan utföra två differentierade och orelaterade katalytiska aktiviteter.

Forskare lyckades skapa ett system som är enklare och bättre kan kontrollera den enzymatiska aktiviteten, och för första gången, en struktur där samma aminosyror som ger katalytisk aktivitet också bidrar till att forma den makromolekylära arkitekturen. I tidigare studier, dessa kapaciteter var segregerade i olika regioner av molekylen, vilket resulterade i längre peptider och/eller peptider med en enda funktion.

"Frågans motsats är att den katalytiska aktiviteten hos fibrer och hydrogeler endast kan uppnås när peptiderna sätter sig samman, " förklarar Salvador Ventura, koordinator för studien. "Strategien vi använde lägger ner grunderna för skapandet av "intelligenta" nanostrukturmaterial, med skräddarsydda kombinationer av katalytiska funktioner för ett antal praktiska tillämpningar."

Unika egenskaper

Tills nu, majoriteten av designade minimalistiska peptider saknade en av de viktigaste egenskaperna hos naturliga enzymer:förmågan att reversibelt reglera deras aktivitet. I den här studien, forskare lyckades kontrollera monteringskapaciteten, och detta tillåter alternerande aktiva och inaktiva former med enkla förändringar i pH.

Dessutom, de nya peptiderna har egenskaper som naturliga enzymer inte har, eftersom dessa endast bedriver katalytisk verksamhet. Nu, peptiderna innehåller två olika typer av aktiviteter (hydrolitiska och elektrokatalytiska) som kan utföras samtidigt eller alternerande. I alla andra fall, detta skulle kräva två strukturellt olika artificiella enzymer som skulle vara hundratals gånger större och dyrare.

En annan egenskap hos dessa nya artificiella enzymer som forskare påpekar är spontaniteten hos självmontering, vilket innebär att det inte finns något behov av ytterligare kemiska reagenser eller applicering av värme, som kan visa sig vara giftigt eller ha drastiska effekter på dess struktur.

Större effektivitet och ekonomi

Hydrogeler och amyloidliknande fibrer möjliggör generering av solida och mer effektiva och ekonomiska mikroreaktorer, där slutprodukten av reaktionen lätt kan separeras från det artificiella enzymet.

"De makromolekylära strukturer vi har lyckats skapa kan ha viktiga tillämpningar inom mikrofluidik, och även vid läkemedelstillförsel, eftersom de kan kapsla in läkemedlet i sitt sammansatta tillstånd och frigöra det på ett specifikt sätt, när rätt cellkontext har uppnåtts, helt enkelt genom att demontera, " Salvador Ventura höjdpunkter.

Salvador Ventura är chef för gruppen Proteinfolding and Conformational Diseases på IBB. "Vi började de nanoteknologiska forskningslinjerna för bara tre år sedan, men vår kunskap om den molekylära mekanismen för proteinsammansättning i amyloidstrukturer har hjälpt oss att utveckla nya funktionella, syntetiska nanomaterial med egenskaper som inte kan uppnås med naturliga peptider eller proteiner, " han säger.