Aktiviteten av enzymer i industriella processer, laboratorier, och levande varelser kan fjärrstyras med hjälp av ljus. Detta kräver deras immobilisering på ytan av nanopartiklar och bestrålning med en laser. Nära-infrarött ljus kan penetrera levande vävnad utan att skada den. Nanopartiklarna absorberar energin från strålningen och släpper tillbaka den i form av värme eller elektroniska effekter, triggar eller intensifierar enzymernas katalytiska aktivitet. Detta konfigurerar ett nytt studieområde känt som plasmonisk biokatalys.

Forskning utförd vid University of São Paulos Chemistry Institute (IQ-USP) i Brasilien undersökte aktiviteten hos enzymer immobiliserade på guldnanopartiklar kontrollerade av infraröd laserstrålning. En artikel som rapporterar resultaten publiceras i ACS -katalys , en tidskrift för American Chemical Society.

Studien stöddes av São Paulo Research Foundation—FAPESP via ett postdoktoralt stipendium och ett stipendium för en forskarpraktik utomlands tilldelad huvudförfattaren, Heloise Ribeiro de Barros; ett utrustningsbidrag för flera användare; och det tematiska projektet "Optimering av de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos nanostrukturerade material för tillämpningar inom molekylärt igenkänning, katalys och energiomvandling/lagring", ledd av Roberto Manuel Torresi.

"Vi använde ett lipas [CaLB] som modellenzym, immobiliserad på guld nanopartiklar med två former - sfärer och stjärnor, Ribeiro de Barros berättade. "Den infraröda lasern accelererade enzymets aktivitet icke-invasivt bara genom att bestråla det med externt ljus."

Studien visade att inte bara materialets sammansättning utan också dess geometri påverkade nanopartiklarnas effekt på enzymet. "Den enzymatiska aktiviteten förbättrades avsevärt när lipaset immobiliserades på guld nanostjärnor, visar en ökning med upp till 58 %, " sa Ribeiro de Barros. "I jämförelse, guldnanosfärerna främjade en mycket mindre ökning på 13 %. Den större ökningen motsvarade effekten av resonans mellan nanostjärnornas ytor och strålning från lasern."

Storleken som beaktas här är lokaliserad ytplasmonresonans (LSPR). Medan nanosfärernas LSPR absorberas vid 525 nanometer, att nanostjärnorna når 700 nm, mycket närmare den infraröda laservåglängden, vilket är 808 nm.

"Det infallande ljuset sätter igång energidrivna processer i guldnanopartiklarna, såsom temperaturökning eller elektroniska effekter, och detta påverkar egenskaperna hos enzymerna som är immobiliserade på deras ytor, ", sa Ribeiro de Barros. "Det var möjligt att dra slutsatsen att lokal fototermisk uppvärmning på ytorna av guldnanostjärnorna som främjas av LSPR-excitation ledde till förbättrad lipasbiokatalys. Denna slutsats kan utvidgas till andra kombinationer av enzymer och plasmoniska nanopartiklar."

Det breda utbudet av potentiella tillämpningar inkluderar biokatalys för att påskynda industriella kemiska reaktioner och in vivo-kontroll av sjukdomsframkallande enzymer. I en längre framtid, den här typen av process kan tänkas användas för att behandla sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers. Mer forskning kommer att krävas innan det kan bli ett genuint alternativ, självklart.

"Från medicinsk synvinkel, Huvudsyftet med studien var att peka på lösningar inom en snar framtid för behandling av sjukdomar utan behov av invasiv kirurgi och med ett specifikt rumsligt och tidsmässigt tillvägagångssätt för att undvika biverkningar av nuvarande metoder, " sa Ribeiro de Barros.