Forskare från det autonoma universitetet i Barcelona (UAB) har utvecklat minimala nanozymer med kapacitet att fånga upp koldioxid (CO2 ) som avges i industriella processer – och är tillämpliga på andra miljösaneringsprocesser – baserade på konstgjorda molekylära strukturer som bildas av peptiderna av endast sju aminosyror.
Dessa nya molekyler skulle också kunna fungera som metalloenzymer, och det öppnar för nya möjligheter inom bioteknisk forskning. Studien ger också ett nytt bidrag till uppkomsten av katalytisk aktivitet i början av livet.
Forskningen, med Salvador Ventura som koordinator och Susanna Navarro som första författare, publicerades nyligen i ACS Nano . Båda är forskare vid Institutet för bioteknik och biomedicin och vid UAB:s institution för biokemi och molekylärbiologi, och har arbetat tillsammans i studien med forskare från UAB:s institution för kemi och forskningscentret bioGUNE.
Under 2018 lyckades UAB-forskare skapa mycket korta molekyler med förmåga till självmontering, inspirerade av amyloidfibrillers naturliga förmåga att självmontera, och baserat på en specifik sekvensering av prionproteiner. Dessa artificiella amyloider har katalytiska aktiviteter, med fördelar som modularitet, flexibilitet, stabilitet och återanvändning jämfört med naturliga enzymer.
Nu har forskare upptäckt deras förmåga att binda till metalljoner effektivt och fungera som metall- och metalloenzymlagringselement.
"Dessa peptider var speciella, eftersom de inte innehöll de typiska aminosyrorna, såsom histidin, som ofta anses vara väsentligt för koordinationen av metalljoner i enzymer, och som ansågs vara avgörande för katalytisk aktivitet. Däremot var de berikad med rester från tyrosin, ett grundämne som även om det är mindre känt i det här sammanhanget, också kan ha den unika förmågan att binda till metalljoner om det befinner sig i det korrekta strukturella sammanhanget är vad vi använde för att skapa våra nanozymer ," sa Ventura.
Resultaten kan appliceras på flera områden. För det första är nanozymer stabila och kan användas för miljösanering, i avloppsvattenreningsprocesser eller förorenade jordar, med tanke på deras anmärkningsvärda förmåga att binda metalljoner.
För det andra kan de fungera som metalloenzymer, kapabla att katalysera reaktioner under förhållanden där nuvarande enzymer, mycket mindre stabila, skulle vara oförmögna att verka. Detta öppnar upp för nya möjligheter inom forskning om bioteknik, såsom att katalysera reaktioner i extrema temperaturer och pH-värden.
Baserat på de nanozymer de designat är forskarna övertygade om att de framgångsrikt har utvecklat en minimalistisk variant av ett kolsyraanhydrasenzym som effektivt kan lagra CO2 släpps ut av växthusgaser och till en mycket lägre produktionskostnad än naturliga enzymer.
För att erhålla dessa nya nanozymer bildade forskare hypotesen att katalytisk aktivitet vid livets ursprung kunde ha uppstått som ett resultat av självmontering av korta peptider med låg komplexitet till strukturer som liknar amyloider som fungerade som de primära förfädernas enzymer.
"Att visa att dessa molekyler har katalytisk verkan utan behov av konventionell histidin-baserad koordination representerar en betydande förändring i hur vi förstår ursprunget till katalytisk aktivitet i början av livet. Vi vet nu att denna aktivitet kan uppnås om de förfäders peptider innehåller Därför föreslår vi att det är mycket troligt att de förfäders enzymer baserade på amyloider också använde denna andra aminosyra i sina kemiska reaktioner, avslutar Ventura.
I studien kombinerade forskare experiment och simuleringar genom att använda en mängd olika tekniker som spektrofotometri, fluorescens, elektronmikroskopi, elektrondiffraktion och avancerad beräkningsmodellering.
Mer information: Susanna Navarro et al, Amyloidfibriller bildade av korta prion-inspirerade peptider är metalloenzymer, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04164
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Autonomous University of Barcelona
